國立臺中教育大學資訊科學學系碩士論文

基於優先權與群組之

WiMAX 排程機制

Priority and Group Based Scheduling in WiMAX

System

指導教授張林煌 博士

研究生連祐正 撰

中華民國九十八年六月

I

誌謝

中教大兩年的修業首先得感謝指導教授張林煌老師不管在做研究的訓練

以及待人處事上都教導我很多完備的研究環境及自由研究風氣也讓我可以

盡情學習我有興趣的科目同時也要感謝系上所有老師們的指導

此外也由衷地感謝朝陽網通所的學長和同學們首先要特別感謝的是冠孙

學長是他帶領我進入WiMAX的領域並且讓我持續使用的server的設備沒有

他我可能沒有辦法這麼快完成學業另外也很感謝朝陽的同學們朝棨柏勛

奕成總是可以跟你們多多的討論關於研究上的問題讓我自己也多充實了很多

事物也謝謝學弟妹們鈺軒丞均智鈞一起幫忙國科會計畫書與研討會的

事務特別感謝鈺軒總是幫我做校稿的工作真的很謝謝你不能忘記感謝的當

然還有我的同學和學弟妹們與專題的學妹們感謝本和思堯卓翰健傑冠

伯惟婷治翔民德雨澤宗褀瑋成英哲芳瑜豐旭為我研究以外的

生活帶來許多的樂趣也感謝黃淇思帆宣云怡穎姿伶嘉如雖然研究

的方向比較不同不過解決問題還是有學習到很多不同的技能真的很感謝你們

曾經帶給我許多程式設計技巧以及歡笑時光有大家一路上教學相長互相扶

持讓我這兩年的研究學習能夠滿載豐收

最後得獻上十二萬分的謝意給我最摯愛的家人有了他們的強力後盾才

能讓我無後顧之憂的完成碩士生涯感謝我所愛的人有你們一路上給予我的支

持及鼓勵才能讓我完成這篇論文謝謝

連祐正 2009 年6 月

中教大資科系

II

摘要

隨著網路的發展日常生活中已經漸漸與網路無法分離進一步的發展到無

線網路中有許多的議題更因運而生目前以實際使用多年的 WiFi(Wireless-Field)

系統雖然可以滿足定點或是慢速移動的無線網路要求但是在傳輸範圍與移動

速度服務品質等支援上仍期待著有更大的改善因此電子電機工程師協會

(Institute of Electrical and Electronics EngineersIEEE)陸續在 20042005 至今

提出 80216 的無線網路標準來支援更大的傳輸範圍更高的傳輸速率與更好

的品質服務

特別是在服務品質(Quality of ServiceQoS)上IEEE80216 標準中明確的定

義了五種種不同的服務類別希望藉此來提升不同服務類型的效率提升使用者

的滿意度但要達到 QoS 除了規範不同的 QoS 規格外另外還要配合允入控制

資源配置與排程機制才有辦法完整的達到 QoS 要求或是提升系統容量與傳輸

量

本論文將重點放在排程機制上區分五種不同的服務類型根據 QoS 要求

以發配優先權的方式來決定資料的傳送順序藉由這些優先權的順序來傳送資

料一方面可以滿足即時性服務流對於時間上面的要求另外一方面也可以繼續

維持非即時性服務流的連線持續進行最後使用學術界具有公信力的

NS2(Network Simulator 2)網路模擬器來模擬提出的排程機制並且與其他類似的

排程機制做比較

關鍵詞服務品質WiMAX排程優先權資源配置

III

Abstract

As the network technologies development we canrsquot living without Internet and

the network changed form wired to wireless with time there are more issues have to

handle The WiFi system we have used in many years althought it can provide us

access Internet with wirelss and supporing walk speed But people want to use the

wireless network with more large rang and higher throughput so the IEEE(Institute of

Electrical and Electronics Engineers IEEE) develope the standard 80216 air interface

in 2004 2005 to today itrsquos supporting large rang radio higher throughput and quality

of service for signle user

Especically IEEE80216 standard define 5 types of QoS itrsquos hope to use this

characterstic to imporve the efficiency of different applications and promote users

satisfied But itrsquos hard to achieve the QoS requirement beside the Qos Rules we

have to handle the admission control and resource allocation to finish QoS

requirement or promote system capacity and throughput

This thesis will put the key point to schedule the data packet order by identifier

five different service type we can use their charateristics to design different priority

mark By these priority mark we can let the real-time service flow achieve QoS

requirement and let non-real time service flow can keep going Finally this thesis uses

NS2(Network Simulator 2) to take simulations and results and compare to other

scheduling mechanism form other paper

Key words QoSWiMAXSchedulingPriorityResource Allocation

IV

目錄

誌謝 I

摘要 II

Abstract III

目錄 IV

圖目錄 V

表目錄 VII

第一章 緒論 1

11 研究背景 1

12 研究動機與目的 2

13 論文架構 3

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹 5

21 WiMAX 基本介紹 5

22 IEEE80216-2004 PHY Layer 7

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式 7

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式 10

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構 15

23 IEEE80216-2004 MAC Layer 17

24 Service Flow Type 各項建議及考量 24

25 QoS 物件模型 27

第三章 相關文獻探討 31

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制 35

41 模擬系統剖析 35

42 基於優先權之排程演算法 37

43 群組排程與資源配置 43

第五章 系統模擬 47

51 NS-2 環境設定 47

52 實驗方法 49

53 實驗分析與結果 55

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果 55

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果 60

第六章 結論與未來研究目標 69

參考文獻 70

V

圖目錄

圖 1 調變方式與距離關係示意圖 9

圖 2 OFDM 系統中的各種載波 10

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖 11

圖 4 FUSC 次載波排列方法 12

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法 13

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法 14

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列 15

圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式 16

圖 9 TDD 模式下的訊框架構 17

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層 18

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制 19

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作 19

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構 20

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式 21

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程 22

圖 16 距測和參數調整程序 23

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程 26

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程 26

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo 28

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型 28

圖 21 模擬系統流程圖 37

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖 39

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程 40

圖 24 群組排程示意圖 44

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖 45

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼 46

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕 49

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕 50

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 50

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較 54

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較 54

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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No4 2008 pp 403-409

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

I

誌謝

中教大兩年的修業首先得感謝指導教授張林煌老師不管在做研究的訓練

以及待人處事上都教導我很多完備的研究環境及自由研究風氣也讓我可以

盡情學習我有興趣的科目同時也要感謝系上所有老師們的指導

此外也由衷地感謝朝陽網通所的學長和同學們首先要特別感謝的是冠孙

學長是他帶領我進入WiMAX的領域並且讓我持續使用的server的設備沒有

他我可能沒有辦法這麼快完成學業另外也很感謝朝陽的同學們朝棨柏勛

奕成總是可以跟你們多多的討論關於研究上的問題讓我自己也多充實了很多

事物也謝謝學弟妹們鈺軒丞均智鈞一起幫忙國科會計畫書與研討會的

事務特別感謝鈺軒總是幫我做校稿的工作真的很謝謝你不能忘記感謝的當

然還有我的同學和學弟妹們與專題的學妹們感謝本和思堯卓翰健傑冠

伯惟婷治翔民德雨澤宗褀瑋成英哲芳瑜豐旭為我研究以外的

生活帶來許多的樂趣也感謝黃淇思帆宣云怡穎姿伶嘉如雖然研究

的方向比較不同不過解決問題還是有學習到很多不同的技能真的很感謝你們

曾經帶給我許多程式設計技巧以及歡笑時光有大家一路上教學相長互相扶

持讓我這兩年的研究學習能夠滿載豐收

最後得獻上十二萬分的謝意給我最摯愛的家人有了他們的強力後盾才

能讓我無後顧之憂的完成碩士生涯感謝我所愛的人有你們一路上給予我的支

持及鼓勵才能讓我完成這篇論文謝謝

連祐正 2009 年6 月

中教大資科系

II

摘要

隨著網路的發展日常生活中已經漸漸與網路無法分離進一步的發展到無

線網路中有許多的議題更因運而生目前以實際使用多年的 WiFi(Wireless-Field)

系統雖然可以滿足定點或是慢速移動的無線網路要求但是在傳輸範圍與移動

速度服務品質等支援上仍期待著有更大的改善因此電子電機工程師協會

(Institute of Electrical and Electronics EngineersIEEE)陸續在 20042005 至今

提出 80216 的無線網路標準來支援更大的傳輸範圍更高的傳輸速率與更好

的品質服務

特別是在服務品質(Quality of ServiceQoS)上IEEE80216 標準中明確的定

義了五種種不同的服務類別希望藉此來提升不同服務類型的效率提升使用者

的滿意度但要達到 QoS 除了規範不同的 QoS 規格外另外還要配合允入控制

資源配置與排程機制才有辦法完整的達到 QoS 要求或是提升系統容量與傳輸

量

本論文將重點放在排程機制上區分五種不同的服務類型根據 QoS 要求

以發配優先權的方式來決定資料的傳送順序藉由這些優先權的順序來傳送資

料一方面可以滿足即時性服務流對於時間上面的要求另外一方面也可以繼續

維持非即時性服務流的連線持續進行最後使用學術界具有公信力的

NS2(Network Simulator 2)網路模擬器來模擬提出的排程機制並且與其他類似的

排程機制做比較

關鍵詞服務品質WiMAX排程優先權資源配置

III

Abstract

As the network technologies development we canrsquot living without Internet and

the network changed form wired to wireless with time there are more issues have to

handle The WiFi system we have used in many years althought it can provide us

access Internet with wirelss and supporing walk speed But people want to use the

wireless network with more large rang and higher throughput so the IEEE(Institute of

Electrical and Electronics Engineers IEEE) develope the standard 80216 air interface

in 2004 2005 to today itrsquos supporting large rang radio higher throughput and quality

of service for signle user

Especically IEEE80216 standard define 5 types of QoS itrsquos hope to use this

characterstic to imporve the efficiency of different applications and promote users

satisfied But itrsquos hard to achieve the QoS requirement beside the Qos Rules we

have to handle the admission control and resource allocation to finish QoS

requirement or promote system capacity and throughput

This thesis will put the key point to schedule the data packet order by identifier

five different service type we can use their charateristics to design different priority

mark By these priority mark we can let the real-time service flow achieve QoS

requirement and let non-real time service flow can keep going Finally this thesis uses

NS2(Network Simulator 2) to take simulations and results and compare to other

scheduling mechanism form other paper

Key words QoSWiMAXSchedulingPriorityResource Allocation

IV

目錄

誌謝 I

摘要 II

Abstract III

目錄 IV

圖目錄 V

表目錄 VII

第一章 緒論 1

11 研究背景 1

12 研究動機與目的 2

13 論文架構 3

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹 5

21 WiMAX 基本介紹 5

22 IEEE80216-2004 PHY Layer 7

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式 7

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式 10

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構 15

23 IEEE80216-2004 MAC Layer 17

24 Service Flow Type 各項建議及考量 24

25 QoS 物件模型 27

第三章 相關文獻探討 31

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制 35

41 模擬系統剖析 35

42 基於優先權之排程演算法 37

43 群組排程與資源配置 43

第五章 系統模擬 47

51 NS-2 環境設定 47

52 實驗方法 49

53 實驗分析與結果 55

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果 55

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果 60

第六章 結論與未來研究目標 69

參考文獻 70

V

圖目錄

圖 1 調變方式與距離關係示意圖 9

圖 2 OFDM 系統中的各種載波 10

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖 11

圖 4 FUSC 次載波排列方法 12

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法 13

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法 14

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列 15

圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式 16

圖 9 TDD 模式下的訊框架構 17

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層 18

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制 19

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作 19

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構 20

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式 21

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程 22

圖 16 距測和參數調整程序 23

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程 26

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程 26

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo 28

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型 28

圖 21 模擬系統流程圖 37

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖 39

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程 40

圖 24 群組排程示意圖 44

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖 45

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼 46

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕 49

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕 50

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 50

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較 54

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較 54

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

II

摘要

隨著網路的發展日常生活中已經漸漸與網路無法分離進一步的發展到無

線網路中有許多的議題更因運而生目前以實際使用多年的 WiFi(Wireless-Field)

系統雖然可以滿足定點或是慢速移動的無線網路要求但是在傳輸範圍與移動

速度服務品質等支援上仍期待著有更大的改善因此電子電機工程師協會

(Institute of Electrical and Electronics EngineersIEEE)陸續在 20042005 至今

提出 80216 的無線網路標準來支援更大的傳輸範圍更高的傳輸速率與更好

的品質服務

特別是在服務品質(Quality of ServiceQoS)上IEEE80216 標準中明確的定

義了五種種不同的服務類別希望藉此來提升不同服務類型的效率提升使用者

的滿意度但要達到 QoS 除了規範不同的 QoS 規格外另外還要配合允入控制

資源配置與排程機制才有辦法完整的達到 QoS 要求或是提升系統容量與傳輸

量

本論文將重點放在排程機制上區分五種不同的服務類型根據 QoS 要求

以發配優先權的方式來決定資料的傳送順序藉由這些優先權的順序來傳送資

料一方面可以滿足即時性服務流對於時間上面的要求另外一方面也可以繼續

維持非即時性服務流的連線持續進行最後使用學術界具有公信力的

NS2(Network Simulator 2)網路模擬器來模擬提出的排程機制並且與其他類似的

排程機制做比較

關鍵詞服務品質WiMAX排程優先權資源配置

III

Abstract

As the network technologies development we canrsquot living without Internet and

the network changed form wired to wireless with time there are more issues have to

handle The WiFi system we have used in many years althought it can provide us

access Internet with wirelss and supporing walk speed But people want to use the

wireless network with more large rang and higher throughput so the IEEE(Institute of

Electrical and Electronics Engineers IEEE) develope the standard 80216 air interface

in 2004 2005 to today itrsquos supporting large rang radio higher throughput and quality

of service for signle user

Especically IEEE80216 standard define 5 types of QoS itrsquos hope to use this

characterstic to imporve the efficiency of different applications and promote users

satisfied But itrsquos hard to achieve the QoS requirement beside the Qos Rules we

have to handle the admission control and resource allocation to finish QoS

requirement or promote system capacity and throughput

This thesis will put the key point to schedule the data packet order by identifier

five different service type we can use their charateristics to design different priority

mark By these priority mark we can let the real-time service flow achieve QoS

requirement and let non-real time service flow can keep going Finally this thesis uses

NS2(Network Simulator 2) to take simulations and results and compare to other

scheduling mechanism form other paper

Key words QoSWiMAXSchedulingPriorityResource Allocation

IV

目錄

誌謝 I

摘要 II

Abstract III

目錄 IV

圖目錄 V

表目錄 VII

第一章 緒論 1

11 研究背景 1

12 研究動機與目的 2

13 論文架構 3

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹 5

21 WiMAX 基本介紹 5

22 IEEE80216-2004 PHY Layer 7

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式 7

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式 10

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構 15

23 IEEE80216-2004 MAC Layer 17

24 Service Flow Type 各項建議及考量 24

25 QoS 物件模型 27

第三章 相關文獻探討 31

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制 35

41 模擬系統剖析 35

42 基於優先權之排程演算法 37

43 群組排程與資源配置 43

第五章 系統模擬 47

51 NS-2 環境設定 47

52 實驗方法 49

53 實驗分析與結果 55

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果 55

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果 60

第六章 結論與未來研究目標 69

參考文獻 70

V

圖目錄

圖 1 調變方式與距離關係示意圖 9

圖 2 OFDM 系統中的各種載波 10

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖 11

圖 4 FUSC 次載波排列方法 12

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法 13

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法 14

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列 15

圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式 16

圖 9 TDD 模式下的訊框架構 17

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層 18

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制 19

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作 19

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構 20

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式 21

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程 22

圖 16 距測和參數調整程序 23

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程 26

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程 26

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo 28

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型 28

圖 21 模擬系統流程圖 37

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖 39

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程 40

圖 24 群組排程示意圖 44

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖 45

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼 46

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕 49

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕 50

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 50

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較 54

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較 54

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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332-342

III

Abstract

As the network technologies development we canrsquot living without Internet and

the network changed form wired to wireless with time there are more issues have to

handle The WiFi system we have used in many years althought it can provide us

access Internet with wirelss and supporing walk speed But people want to use the

wireless network with more large rang and higher throughput so the IEEE(Institute of

Electrical and Electronics Engineers IEEE) develope the standard 80216 air interface

in 2004 2005 to today itrsquos supporting large rang radio higher throughput and quality

of service for signle user

Especically IEEE80216 standard define 5 types of QoS itrsquos hope to use this

characterstic to imporve the efficiency of different applications and promote users

satisfied But itrsquos hard to achieve the QoS requirement beside the Qos Rules we

have to handle the admission control and resource allocation to finish QoS

requirement or promote system capacity and throughput

This thesis will put the key point to schedule the data packet order by identifier

five different service type we can use their charateristics to design different priority

mark By these priority mark we can let the real-time service flow achieve QoS

requirement and let non-real time service flow can keep going Finally this thesis uses

NS2(Network Simulator 2) to take simulations and results and compare to other

scheduling mechanism form other paper

Key words QoSWiMAXSchedulingPriorityResource Allocation

IV

目錄

誌謝 I

摘要 II

Abstract III

目錄 IV

圖目錄 V

表目錄 VII

第一章 緒論 1

11 研究背景 1

12 研究動機與目的 2

13 論文架構 3

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹 5

21 WiMAX 基本介紹 5

22 IEEE80216-2004 PHY Layer 7

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式 7

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式 10

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構 15

23 IEEE80216-2004 MAC Layer 17

24 Service Flow Type 各項建議及考量 24

25 QoS 物件模型 27

第三章 相關文獻探討 31

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制 35

41 模擬系統剖析 35

42 基於優先權之排程演算法 37

43 群組排程與資源配置 43

第五章 系統模擬 47

51 NS-2 環境設定 47

52 實驗方法 49

53 實驗分析與結果 55

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果 55

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果 60

第六章 結論與未來研究目標 69

參考文獻 70

V

圖目錄

圖 1 調變方式與距離關係示意圖 9

圖 2 OFDM 系統中的各種載波 10

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖 11

圖 4 FUSC 次載波排列方法 12

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法 13

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法 14

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列 15

圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式 16

圖 9 TDD 模式下的訊框架構 17

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層 18

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制 19

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作 19

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構 20

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式 21

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程 22

圖 16 距測和參數調整程序 23

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程 26

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程 26

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo 28

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型 28

圖 21 模擬系統流程圖 37

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖 39

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程 40

圖 24 群組排程示意圖 44

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖 45

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼 46

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕 49

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕 50

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 50

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較 54

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較 54

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

IV

目錄

誌謝 I

摘要 II

Abstract III

目錄 IV

圖目錄 V

表目錄 VII

第一章 緒論 1

11 研究背景 1

12 研究動機與目的 2

13 論文架構 3

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹 5

21 WiMAX 基本介紹 5

22 IEEE80216-2004 PHY Layer 7

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式 7

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式 10

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構 15

23 IEEE80216-2004 MAC Layer 17

24 Service Flow Type 各項建議及考量 24

25 QoS 物件模型 27

第三章 相關文獻探討 31

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制 35

41 模擬系統剖析 35

42 基於優先權之排程演算法 37

43 群組排程與資源配置 43

第五章 系統模擬 47

51 NS-2 環境設定 47

52 實驗方法 49

53 實驗分析與結果 55

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果 55

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果 60

第六章 結論與未來研究目標 69

參考文獻 70

V

圖目錄

圖 1 調變方式與距離關係示意圖 9

圖 2 OFDM 系統中的各種載波 10

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖 11

圖 4 FUSC 次載波排列方法 12

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法 13

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法 14

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列 15

圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式 16

圖 9 TDD 模式下的訊框架構 17

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層 18

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制 19

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作 19

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構 20

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式 21

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程 22

圖 16 距測和參數調整程序 23

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程 26

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程 26

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo 28

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型 28

圖 21 模擬系統流程圖 37

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖 39

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程 40

圖 24 群組排程示意圖 44

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖 45

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼 46

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕 49

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕 50

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 50

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較 54

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較 54

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

V

圖目錄

圖 1 調變方式與距離關係示意圖 9

圖 2 OFDM 系統中的各種載波 10

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖 11

圖 4 FUSC 次載波排列方法 12

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法 13

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法 14

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列 15

圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式 16

圖 9 TDD 模式下的訊框架構 17

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層 18

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制 19

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作 19

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構 20

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式 21

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程 22

圖 16 距測和參數調整程序 23

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程 26

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程 26

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo 28

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型 28

圖 21 模擬系統流程圖 37

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖 39

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程 40

圖 24 群組排程示意圖 44

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖 45

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼 46

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕 49

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕 50

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 50

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 51

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖 52

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較 54

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較 54

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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VI

56

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲 57

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲 58

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲 58

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量 59

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量 59

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向

服務流的時間延遲 61

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向

服務流的時間延遲 61

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量 62

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲 63

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲 63

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲 64

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲 65

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量 66

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量 66

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

VII

表目錄

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較 6

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合 9

表 3 FUSC 次載波排列的參數 12

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數 13

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目 29

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values 29

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values 30

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表 41

表 9 WiMAX 模擬系統參數 47

表 10 站台內的服務流連線設定 48

表 11 各種服務類型之 QoS 要求 48

表 12 優先權計算之參數比較表 53

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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332-342

VIII

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

1

第一章 緒論

11 研究背景

隨著科技的發展網路的演進也從有線延伸到無線因此我們在日常生活

與商業應用也可以說是與網路密切結合由於全球電子電機工程師協會(Institute

of Electrical and Electronics Engineers IEEE)所提出的 IEEE80211 以及其實作系

統 WiFi(Wireless-Field)系統已經行之有年但是在偏遠地區的普及率依舊不高

也由於 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)或是 Cable 所需要的是實體線

路所以在人口密集度不高的地方其維修費用也是龐大的成本負擔因此 IEEE

提出了新的無線網路標準 80216其實作系統稱為 WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access )希望藉由更高的傳輸速率以及更遠的傳

輸範圍來解決偏遠地區急難救助多媒體應用等各方面更全面的解決方案

為了達到服務不同的應用網路學者們提出了服務品質保證(Quality of

ServiceQoS)的概念IEEE80216 的標準在這樣的概念下明確的定義出了五種

不同的服務應用亦稱為服務流 (Service Flow)這五種服務流分別是

UGS(Unsolicitation Grant Service) ertPS(extend real-time Polling Service)

rtPS(real-time Polling Service)nrtPS(non-real-time Polling Service)與 BE(Best

effort)[1][2]前兩者較著重於封包小且低延遲的網路電話(Voice over Internet

ProtocolVoIP)語音封包上另外 rtPS 為即時性影音串流所使用而 nrtPS 與 BE

則留給不需要即時服務但可能有大量的訊務時例如 FTP(File Transfer protocol)

應用或是瀏覽網頁這兩種應用相較於即時影音串流或是網路電話視訊會議

所需要的時間延遲都可較為寬容

要達到不同應用的 QoS 要求則需要依靠允入控制資源分配與排程機制

等不同的處理程序來達成而本論文將會針對不同 QoS 規範來設計排程機制

滿足不同類型服務流的要求

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

2

12 研究動機與目的

為了要達到服務不同的應用程式並且讓使用者感到滿意大部分的論文或是

實際的產品都會給予不各種用服務不同的 QoS也就是實際規範出不同的最大的

速率(Maximum Rate)最小的速率(Minimum Rate)時間延遲(Delay Tolerant)與

抖動(jitter)在這樣的考量下就會出現即時性服務與非即時性服務的分野一般

而言使用者會希望即時性服務可以順暢的運作但同時又要維持非即時服務的進

行那麼各種不同的排程方式變應運而生

本論文的重點在於利用優先權的方式使得即時性與非即時性的服務流可以

取得平衡不至於讓即時性服務流完全搶走所有的資源而造成不公平的現象或

是非即時性服務流飢渴現象的發生本論文希望利用不同服務流的 QoS 規範與

其要求或是系統實際可提供的數值來設計出一個排程機制以滿足不同服務流

的 QoS 並且可以讓即時性與非即時性服務流之間各別取得合適的頻寬分配來進

行連線而在整體的系統中仍然可以維持一定的傳輸量

除了要考量不同服務流之間的資源利用公平性另外一個重要的議題是站台

與站台間的資源利用限制或是群組間的資源利用限制因為 WiMAX 系統中可

以支援不同的調變方式與編碼速率同時進行那麼直接影響到的是整體系統的可

用頻寬所以要如何達到支援不同空中通道品質的用戶以及在系統傳輸量上如何

取得最佳的數值也是一個需要解決的議題

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

3

13 論文架構

本論文共分為六個章節第一個章節為緒論與介紹本論文的動機與目的第

二個章節為 WiMAX 系統與 IEEE80216 標準中的基本機制介紹在瞭解基本的

機制介紹後第三章是關於眾多不同排程機制的文獻介紹與探討在第四章的部份

將介紹整個模擬系統的運作並且與 IEEE80216 標準中做對照以及介紹提出的

演算法機制和在系統中的位置在第五章的部分是模擬系統的參數設定情境

設定與結果討論最後將最在第六章提出結論與未來的研究方向

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

4

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

5

第二章 WiMAX 相關機制與參數介紹

21 WiMAX 基本介紹

在 IEEE80216-2004[1]與 IEEE80216-2005[2]的標準中主要描述了 PHY 層

與 MAC 層的工作原理這也是 WiMAX 最主要的依據來源IEEE80216 標準在

2001 年 12 月完成但較常被討論的則是後面修訂的版本 IEEE80216d 與

IEEE80216e兩者最主要的差異是 16e 可以支援行動性(Mobility)在工作的頻

率上雖然在最原始的標準中針對固定式的架構定為 10~66GHz但在後來修訂

以及實作上都較為偏好 25~58GHz 這個範圍內由於此範圍的頻率可以在移動

以及傳輸範圍上有較良好的支援所以也是各種無線系統的兵家必爭之地當然

要使用這個頻段是需要取得憑證(License)因為這樣才有收費以及服務品質保證

的依據WiMAX 在訊號覆蓋範圍雖然不一定遠於 3G 的系統但在傳輸量上面

通常可以有較好的表現表 1 為 WiMAX 與 3G 系統或是 WiFi 大略比較表大

致上 3G 系統可以有較良好的行動性支援但資料傳輸速率可能較小而 WiMAX

則有較大的資料傳輸速率但對於行動性的支援則不如 3G 系統WiFi 系統在較後

期的版本中則具有相當高的傳輸量但覆蓋範圍則依然是小於前兩者但還有

一個與其他無線系統最大的差異是 WiMAX 有支援品質服務保證(Quality of

ServiceQoS)的規範在 IEEE80216 的標準中定義出了 5 種的資料服務流分

別來讓不同的應用程式傳送並且可以依據 QoS 的定義來設計一個高效率的排

程方法本篇論文所致力的重點也是在此關於不同的 QoS 將在 24 節中說明

在安全性方面WiMAX 系統也支援多種的加密或是認證架構例如私密金

鑰管理(Privacy Keys ManagementPKM)暫時加密金鑰交換(TEK exchange)

資料加密標準(Data Encryption StandardDES)進階加密標準(Advance Encryption

StandardAES)X509 憑證交換架構並且為每一條想要進行安全連線的服務

流建立一個 SAID(Security Association Identifier)

6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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6

表 1 [21] WiMAX 和其他寬頻無線技術的比較

參數 定點

WiMAX

行動 WiMAX HSPA 1xEV-DO

修訂版 A

Wi-Fi

標準 IEEE80216

-2004

IEEE80216e-2

005

3GPP 第六版

(R6)

3GPP2 IEEE80211

abgn

下行峰值

傳輸速率

94Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

61Mbps(在

11 的下行上

行比)

TDM 與 31 的

下行上行比

下可達

46Mbps

11 下行上行

比則可達

32Mbps

使用15個編碼

可達

144Mbps

使用10個編碼

可達 72Mbps

31Mbps

修訂版 B 可支

援 49Mbps

在 80211ag下共享

54Mbps

在 80211n 下大於

100Mbps(理論值

在 MAC 層下)

上行峰值

傳輸速率

33Mbps(在

35MHz 下

以TDM 及31

下行上行比)

65Mbps(在

11 的下行上

行比)

10MHz 與 31

下行上行比

狀況下可達

7Mbps11 下

行上行比狀

況下可達

4Mbps

初期 14Mbps

未來 58Mbps

18Mbps

頻寬 35MHz 和

7MHz在

35GHz 頻帶

下

10MHz 在

58GHz 的頻

帶下

初期

35MHz7MHz

5MHz10MHz

和 875MHz

5MHz 125MHz 80211ag 下為

20MHz80211n 下

為 2040MHz

調變 QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

QPSK16QAM

64QAM

BPSKQPSK16QA

M64QAM

多工 TDM TDMOFDM TDMCDMA TDMCDMA CSMA

雙工 TDDFDD 初期 TDD FDD FDD TDD

頻率 初期 35GHz

和 58GHz

初期

23GHz25GH

z 和 35GHz

8009001800

19002100

MHz

8009001800

1900MHz

24GHz5GHz

覆蓋範圍

(標準)

48~8 公里 lt32 公里 16~48 公里 16~48 公里 室內lt 30 公尺

室外lt 300 公尺

行動性 NA 中等 高 高 低

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

7

WiMAX 在行動性的支援上目前也包含四種的目標分別是遊牧性

(Nomadic)可攜性(Portable)簡單的行動性(Simple Mobility)以及完整的行動性

(Full Mobility)其中簡單的行動性在定義上為可以容忍裝置在 60kmph 的移動速

度下維持連線以及換手的時間要少於 1 秒而完整的行動性則要求可以支援

120kmph 的移動速度以及換手時間要小於 50ms封包遺失率要小於 1為了要

支援移動性所以在實際佈建時可能會大量使用「行動 IP」(Mobile IP)來做為 IP

層的選項因此移動裝置將會遇到換手的問題在 IEEE80216e-2005 中也明確

定義了三種換手方式分別是硬式換手(Hard HandoverHHO)快速基地台換

手 (Fast Base Station Switching FBSS) 與巨多分集換手 (Macro Diversity

HandoverMDHO)在之後的章節會對 WiMAX 與 IEEE80216 標準在 PHY 層

以及 MAC 層做一些較為詳盡的介紹

22 IEEE80216-2004 PHY Layer

由於 WiMAX 所依循的標準為 IEEE80216 Standard其中多少包含

IEEE80211 以及 WiFi 網路所使用的標準但在 IEEE80216 的標準中又訂定了許

多的運作模式因此必頇對其標準與機制做一些簡單的說明並且指出哪些地方

是可以有進一步的改進IEEE80216 Standard 主要規範的部分為實體層與資料鏈

結層(Datalink Layer)或者亦稱為媒介存取控制層(Medium Access Control Layer

MAC Layer)在實體層的部分主要是規範如何有哪些調變方式(Modulation)方

式傳送和多工的方式資源配置方式等等由於本篇論文主要針對的部分是在

MAC Layer 所作的 Scheduling 所以在第一層的部分只做比較概略性的介紹並

不對其技術細節作深入的探討在第二層資料鏈結層的部分就有許多的議題

可以討論例如 QoS省電機制安全協定訊務排程等等

221 IEEE80216-2004 PHY 支援的調變方式

首先針對實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了 4 種可用的實體層

(PHY Layer)載波使用方式分別是 SC(Single Carrier)SCa(Single Carrier for

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

8

NLOS)OFDM(Orthogonal Frequency Divided Multiplexing)OFDMA(Orthogonal

Frequency Divided Multiple Access)在 SC 與 SCa 的部分主要都是使用單一載波

來傳送資料其主要的不同點在於 SC 使用在直線可視(Line of SightLOS)的狀

況下而 SCa 主要用於非直視(Non-Line of SightNLOS)的情況下在工作頻率上

SC 偏好使用 10~66GHz 並且需要取得認證(License)才可以使用而 SCa 則偏好

使用在 11GHz 以下的頻帶除了使用單載波的實體層WiMAX 也支援使用多

載波系統的實體層在 IEEE80216-2004 的標準中定義了如何使用 OFDM 與

OFDMA 的方式來在多個載波上傳送資料這兩種多載波的系統也都是使用在

NLOS 情況下以及 11GHz 以下的工作頻率使用 OFDM 或使用 OFDMA 這種系

統的好處主要有降低計算複雜度可使用頻率分集對抗窄頻和干擾有較好的

能力但其缺點是較易受到相位雜訊 (Phase Noise)和頻率散射 (Frequency

Dispersion)的影響但可以藉由其他技術來減少這兩個問題例如使用多載波

調變快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform FFT)與反轉快速傅利葉轉換

(Inverse Fast Fourier TransformIFFT)使用循環字首(Cyclic Prefix CP)利用

這些先進的技術來消除符碼間干擾(Inter-Symbol InterferenceISI)讓資料可以

藉由多個正交但較慢速的載波傳送達到整體傳輸量的提昇

再來簡略的介紹一下調變方式在 WiMAX 中我們常見的調變方式有

BPSK(Binary Phase-Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)

16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)64QAM(64 Quadrature Amplitude

Modulation)其主要的作用是決定在多好的訊號強度下每個符碼時間內可以傳

送出多少位元組一般來說若行動台(MSMobile Station)與基地台的距離越小

可以使用較好的調變例如64QAM來達到最高的傳輸速率隨著距離越遠

其調變方式也會跟著降低以保持一定的正確率圖 1 距離與調變方式的示意圖

除了選擇調變的方式外另外兩項要選擇的項目是編碼方式與編碼比率編碼方式

有渦輪碼(Turbo Code)LDPC 碼(Low-Density Parity Code)迴旋碼(Convolutional

Code)等編碼比率有 1223344556 等這三個項目的組合即稱為突

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

9

衝特性組合(Burst Profile)在 IEEE80216e-2005 中一共有 52 種突衝特色組合

詳細的組合為表 2但比較常用調變方式與編碼比率的為以下六種QPSK R12

QPSK R3416QAM R1216QAM R3464QAM R2364QAM R34

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

圖 1 調變方式與距離關係示意圖

表 2 IEEE80216e-2005 中上行與下行鏈結突衝特色組合

Format Format Format Format

0 QPSK CC 12 14 Reserve 28 64QAM ZCC 34 42 64QAM LDPC 23

1 QPSK CC 34 15 QPSK CTC 34 29 QPSK LDPC 12 43 64QAM LDPC 34

2 16QAM CC 12 16 16QAM CTC 12 30 QPSK LDPC 23 44 QPSK CC 12

3 16QAM CC 34 17 16QAM CTC 34 31 QPSK LDPC 34 45 QPSK CC 34

4 64QAM CC 12 18 64QAM CTC 12 32 16QAM LDPC 12 46 16QAM CC 12

5 64QAM CC 23 19 64QAM CTC 23 33 16QAM LDPC 23 47 16QAM CC 34

6 64QAM CC 34 20 64QAM CTC 34 34 16QAM LDPC 34 48 64QAM CC 23

7 QPSK BTC 12 21 64QAM CTC 56 35 64QAM LDPC 12 49 64QAM CC 34

8 QPSK BTC 35 22 QPSK ZCC 12 36 64QAM LDPC 23 50 QPSK LDPC 56

9 16QAM BTC 35 23 QPSK ZCC 34 37 64QAM LDPC 34 51 16QAM LDPC 56

10 16QAM BTC 45 24 16QAM ZCC 12 38 QPSK LDPC 23 52 64QAM LDPC 56

11 64QAM BTC 23 25 16QAM ZCC 34 39 QPSK LDPC 34 gt52 Reserve

12 64QAM BTC 45 26 64QAM ZCC 12 40 16QAM LDPC 23

13 QPSK CTC 12 27 64QAM ZCC 23 41 16QAM LDPC 34

(關於表 2 參考自 IEEE80216-2004 table 362363 與 IEEE80216e-2005 table 357363)

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

10

222 IEEE80216-2004 PHY 支援的次載波排列方式

由於目前大部分的實作系統主要使用的 PHY 層是 OFDMA所以以下將會

介紹在 OFDMA 中一些訊框的格式以及在次通道符碼時間分配上的規則或限

制在 OFDMA 中標準中有定義了 FUSC(Full Usage Subchannel)PUSC(Partial

Usage Subchannel)與 TUSC(Tile Usage Subchannel)的使用方式但在了解這些排

列方式的限制之前我們必頇要先了解何謂次通道以及符碼時間次通道即為多個

載波的組合如圖 2 所示若在 OFDM 的系統中會將載波分為前導次載波(Pilot

subcarrier)資料次載波(Data subcarrier)DC 次載波(DC subcarrier)以及保護次載

波(Guard band)其中資料次載波適用來傳送資料而前導次載波適用來作為通

道估測或是通道追蹤而 DC 次載波與保護載波則是不分配功率或是不進行調

變以用來減少通道間的干擾或是避免擴大器超量

Pilot SubcarrierData Subcarrier

Guard band

DC Subcarrier

Guard band

Subchannel1Subchannel3

Subchannel2

圖 2 OFDM 系統中的各種載波

並且在圖 2 中可以看出次通道即為多個載波的集合但是這樣的集合是可以

由分散的載波也可能是由相鄰的載波所組成如果是由分散的載波所組成那麼

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

11

就可以較為達到頻率分集(Frequency Diversity )的效果也就是可以避免在某些

載波上面會有嚴重的衰退而若是使用相鄰接的次載波來作為次通道的集合則是

適合多用戶分集(Multiuser Diversity )或是波束合成關於 OFDM 的符碼時間如

圖 3 所示在 OFDM 的系統中由於無線通道會延遲展延的特性每兩個符碼間

需要有一小段時間不傳送資料來作為保護時間降低符碼間干擾

OFDM Symbol OFDM Symbol OFDM Symbol

Delay Spread

Guard

圖 3 OFDM 符碼時間示意圖

在瞭解 OFDM 的次載波次通道與符碼時間的關係後進一步就是要來介

紹在 OFDMA 與 IEEE80216-2004 標準中可以選用的載波與資料的排列方式首

先介紹 FUSCFUSC 的排列方式主要是每個次通道由 48 個資料次載波所組合而

成並且有著固定的前導次載波與變動的前導次載波如圖 4 所示變動的次載

波主要是要用來作精確地估測通道回應一些較為詳細的參數如表 3 所示

12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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12

Frequency

Tim

e

Subchannel1 Subchannel2

Constant Set Pilot

Subcarrier

Variable Set Pilot

Subcarrier

Symbol

n

Symbol

n+1

圖 4 FUSC 次載波排列方法

表 3 FUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 256 512 1024 2048

每個次通道中的次載波

數目 48 NA 48 48 48

次通道數目 2 NA 8 16 32

資料次載波個數 96 192 384 768 1536

在不變動集合中的前導

次載波個數 1 8 6 11 24

在變動集合中的前導次

載波個數 9 NA 36 71 142

左邊保護次載波 11 28 43 87 173

右邊保護次載波 10 27 42 86 172

在 WiMAX 中第二種可以選擇的載波排列方式為 PUSC使用 PUSC 的次載

波排列方式在下行中規範每次都要使用 2 個符碼時間並且每一個次通道由 48

個資料次載波與 8 個前導次載波組成如圖 5 所示在此除了次通道外另外還有

叢集以及群組叢集是由相鄰的 14 個次載波乘以兩個 OFDM 符碼所組成其中

有 24 個為資料次載波4 個為前導次載波而每個叢集會發配一個隨機的編號

這個編號並不同於其頻率在圖 5 中出現的先後順序群組則分為 6 個每一個群

組由 16 個叢集總數組成最後次通道由同一個群組中的 2 個叢集所組成使用

這樣的排列方式最大的好處是可以得到緊密的頻率複用一些較為詳細的參數如

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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332-342

13

表 4

Frequency

Tim

e

Odd

Symbol

Subchannel(two clusters form the same

group)

Cluster 1 (14 adjacent

subcarriers)

Cluster

n

Group 1

Cluster

Group 6

Even

Symbol

Cluster

n+1

Cluster

n+2

Cluster

n6

Cluster

5n6+1

Cluster

5n6+2

Cluster

5n6+3

Cluster

n

圖 5 DL PUSC 次載波排列方法

表 4 DL PUSC 次載波排列的參數

FFT 個數 128 512 1024 2048

每個叢集中的

次載波數目 14 14 14 14

次通道數目 3 15 30 60

資料次載波數目 72 360 720 1440

前導次載波數目 12 60 120 240

左邊保護次載波 22 46 92 184

右邊保護次載波 21 45 91 183

在上行鏈路使用 PUSC 的次載波排列方式上也是要將次載波先切割成小方

塊如圖 6 所示在 UL PUSC 的載波使用中每一個方塊由 4 個相鄰的次載波乘以

3 個 OFDM 符碼時間而組成其中一共包括 8 個資料次載波與 4 個前導次載波

接著每一個方塊會分配一個隨機的編號並且以這些編號分成六個群組最後從

同一個群組中選出六個方塊來組成一個 UL PUSC 的次通道在 WiMAX 系統中

也定義了方塊使用次載波(TUSC)的方式其作業的方式不管在上行或下行都跟

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

14

UL PUSC 的方式一樣這樣的好處是如果使用閉鎖迴路「先進天線系統」

(Advanced Antenna System AAS)並且由「通道狀態資訊」 (Channel State

InformationCSI)來得到精確的通道資訊因為上行與下行的通道配置方式是一

樣的

Frequency

Tim

e

Subchannel(6 tiles from the same group)

Tile

Tile n

Group 1

Tile

Group 6

Tile

n+1

Tile

n+2

Tile

n6Tile

5n6+1

Tile

5n6+2

Tile

5n6+3Tile n

圖 6 UL PUSC 次載波排列方法

最後一種次載波的使用方式是「頻帶可適性調變和編碼」(頻帶 AMC)的次

載波排列方式若使用頻帶 AMC 的次載波使用方式最大的好處是可以使用多用

戶分集來提高整個系統的容量和傳輸量頻帶 AMC 的組成方式如圖 7 所示由

9 個相鄰的次載波來組成一個容器其中每個容器包含 8 個資料次載波與 1 個前

導次載波4 個相鄰接的容器在頻率領域中在組成一個頻帶而每個次通道是由

同個頻帶中 6 個連續的容器所組成其組成的方式可以是跨 6 個連續碼時間的 1

個容器或是跨 3 個符碼時間的 2 個連續容器或是跨 2 個符碼時間的 3 個連續

容器

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

15

Frequency

Tim

e

Bin 1

1times6 AMC

Subchannel

2times3 AMC

Subchannel

3times2 AMC

Subchannel

Bin N

圖 7 頻帶 AMC 次載波排列

223 IEEE80216-2004 時槽訊框與 PDU 架構

在 IEEE80216 中除了定義次載波的使用方式外也定義了整個訊框的架

構由於本篇論文使用的是 TDD(Time Division Duplexing)的訊框架構所以以

下會針對 TDD 模式的訊框架構進行介紹如圖 8 所示為一個 TDD 模式下的

訊框架構首先會先將整個訊框分為下行子訊框(Downlink Subframe)與上行子訊

框(Uplink Subframe)由時間的順序來看在 DL Subframe 中依序是 DL preamble

FCHDL-MAPUL-MAP 後才是發送各個決定的的 DL 突衝給相對應的站台

下行前置碼(DL preamble)主要是用來做時間和頻率的同步或是初始通道的估

測或是雜訊和干擾的估測接著傳送的是「訊框控制表頭」(Frame Control

HeaderFCH)這個 Header 是用來傳送系統的控制訊息像是使用的次載波

為何距測次通道為何或是 DL-MAP 訊息長度等等並且總是以 BPSK R12

模式來編碼確保每一個站台可以準確無誤的讀出裡面的資訊傳送完 FCH 後

則是傳送 DL-MAP 資訊與 UL-MAP 資訊這兩個訊息主要是告知什麼時間點哪

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

16

個站台可以接收或是傳送資料在哪些次通道上在 MAP 訊息與突衝發送之間可

能會夾著「下行通道描述子」(Downlink Channel Descriptor DCD)與「上行通

道描述子」(Uplink Channel DescriptorUCD)BS 可能藉由定期的發送 DCD 與

UCD 來告知各站台一些其他關於通道狀況的控制訊息通常較為常用的數字是

一百個訊框發送一次 DCD 與 UCD

在 UL Subframe 方面則可能是以平行的方式由不同的站台使用不同的次通

道傳送資訊給 BS其中會保留一個次通道來做為距測(Ranging)使用在距測次

通道中各個站台可以發送要求訊息向 BS 要求建立服務流或是要求頻寬的訊息

(Bandwidth Request)

TTG

Pream

ble

DL

-MA

P UL

-MA

P

DL Burst 1

DL Burst 2

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FCH

Ranging subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+20 k+23 k+26

DL UL

t

ss+1s+2

s+L

Subchannel

logic

al

num

ber

OFDMA symbol number

hellip

RTG 圖 8 TDD 模式下的訊框配置方式

關於每一個 Burst 組成的細節如圖 9 所示每一個 Burst 內可能會包含多

個 MPDU(MAC Protocol Data Unit)也就是一些資料訊息的片段而在每個

MPDU 內也會包含一些 MAC header 與 MAC Subheader 以及實際要傳送的資料

(Payload)最後大部分的 MPDU 會再加上冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check

CRC )來檢查是否有資料在傳送的過程中遭到毀損以上大致為 IEEE80216

與 WiMAX 的實體層機制的介紹下一小節將會介紹關於 MAC 層的各項機制

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

17

Frame

DL PHY PDUContention Slot

For initial ranging

Contention slot for

BW request

UL PHY PDU

from SS1

UL PHY PDU

from SSk

Preamble FCH DL Burst 1 DL Burst mDL Burst 2

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

MAC Header

6bytes

Sub-Header Payload

Fragment of

MSDU

CRC

(option)

Fragment of

MSDUFragment of

MSDUFragment of

MSDU

Preamble UL Burst 1

MAC Msg 1

(MAC PDU-1)

MAC Msg N

(MAC PDU-n)pad

DL Subframe UL Subframe

圖 9 TDD 模式下的訊框架構

23 IEEE80216-2004 MAC Layer

在 WiMAX 的 MAC 中首先要先認識在 IEEE80216 中所定義的各個次層

(Sublayer)這些次層分別是收斂次層(Convergence SublayerCS)通用次層

(Common Part SublayerCPS)與安全次層(Security Sublayer)如圖 10 所示首

先在收斂次層的部分最主要的工作是進行檔頭壓制和 SFID(Service Flow

Identifier)與 CID(Connection Identifier)的識別配對的工作在檔頭壓制的部分

目的是為了減少在空中介面中傳送太多重複的資料例如一些連續的資料封

包其來源和目的端的 IP 位址都是相同的那麼這些檔頭的資料可能不需要每

次都被傳送這個部分的概念主要如同圖 11藉由「封包檔頭壓制遮罩」(Packet

Header Suppression MaskPHSM)來決定哪些欄位要被壓縮這些被壓縮的欄位

稱為「PHS 欄位」(PHS FieldPHSF)截取出這些欄位後將會與「PHS 驗證」

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

18

(PHS VerifyPHSV)預期的值做比較如果符合那麼便將這些欄位以一個 8 位元

長的「PHS 指標」(PHS IndexPHSI)做為代表若不符合 PHSV 的數值那麼將

會把 PHSI 設為 0 並且不會為這些欄位進行壓制若是在沒有使用 PHSV 的狀況

下那麼所有的 PHSF 將會進行檔頭壓制一個較為詳盡的流程圖如圖 12 所示

Service-Specific

Convergence Sublayer

(CS)

MAC Common Part Sublayer

(MAC CPS)

Security Sublayer

Physical Layer

(PHY)

CS SAP

MAC SAP

PHY SAP

MA

CP

HY

Management Entity

Service-Specific

Convergence Sublayers

Management Entity

MAC Common Part Sublayer

Security Sublayer

Management Entity

PHY

Net

wo

rk M

anag

emen

t S

yst

em

DataControl Plane

Scope of standard

Management Plane

圖 10 IEEE80216 標準所定義的 MAC 與 PHY 次層

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

19

X X

Header Payload

PHSM

PHSF

PHSI

圖 11 WiMAX 中的檔頭壓制

Identify PHS RulePHSFPHSIPHSMCID

PHY Verify

Verify SDU header with PHSF

and PHSM

Suppress Header and Append

PHSI

Do Not Suppress Header and

Append PHSI=0

Present SDU to MAC

Verify

PassedNo

No

Transmitter

Yes

Identify CID and PHSI

Extract PHSF and PHSM from

PHS Rule

Reconstruct Header

Present SDU to High Layer

Receiver

Yes

圖 12 WiMAX 中的 PHS 操作

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

20

大略介紹完收斂次層之後要先來介紹一下 SDU(Service Data Unit)與

PDU(Protocol Data Unit)的關係在 IEEE80216 的標準中定義從上層而來的資

訊稱為 SDU而經過該處理之後送出的封包稱為 PDU雖然在標準中是這樣定

義的但其實在實際的使用上這個概念還是較為侷限在 MAC 的部分所以比較

常用到的也是就 MSDU(MAC SDU)與 MPDU(MAC PDU)如圖 13 所示SDU

在轉換成 PDU 的時候可能是多個 SDU 組成一個 PDU也有可能是一個 SDU 切

割成多個 PDU這個步驟通常也稱為「封裝與切割」其中若是傳輸中有使用自

動重傳(Automatic Repeat QuestARQ)機制則在 PDU 的內容中也會包含 ARQ

區塊這個區塊主要是會有一些編號當資料到達 MAC 層時就知道有沒有遺失

若是發現有遺失便會在 MAC 層就提出重送要求

1 2 3 4 5 6 7 8

ARQ Block

9 10 11 12 13 14 15 16

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Header Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU1

Fragmentation 1 Fragmentation 2

Fragmentation 1 Header Fragmentation 2

PDU2 PDU3

Downlink or Uplink Burst

17

SDU1 SDU2

圖 13 IEEE80216 MAC 中 SDU 轉換成 PDU 的切割或封裝架構

其中 MPDU 除了攜帶一般的資料也有可能獨立攜帶頻寬要求的訊息其

他可能的格式如圖 14 所示共有六種可選用的格式IEEE80216 標準中除了定

義了不同格式的 MPDU另外一項重大的定義是區分不同的資料服務流這也

是 IEEE80216 標準與其他無線網路標準最大的差異

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

21

GMHOther

SH

Packed Fixed

Size MSDU

Packed Fixed

Size MSDUCRC

(a) Mac PDU frame carrying several-fixed length MSDUs packed toghther

GMHOther

SHMSDU Fragment CRC

(b) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

FSH

GMHOther

SHCRC

(c) Mac PDU frame carrying several-variable length MSDUs packed toghther

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

PSH

Variable

size MSDU

or fragment

GMHOther

SHARQ feedback CRC

(d) Mac PDU frame carrying ARQ payload

GMHOther

SH

(e) Mac PDU frame carrying ARQ and MSDUs payload

PSHARQ

feedbackPSH

Variable

size MSDU

or fragment

CRC

GMH MAC management message CRC

(f) Mac PDU frame carrying a single fragmented MSDU

CRC Cyclic Redundancy Check

FSH Fragmentation SubHeader

GMH Generic MAC Header

PSH Packing Subheader

SH Subheader

圖 14 [21]六種可能的 MPDU 組成方式

在介紹完收斂次層以及 SDU 與 PDU 大致上的關係後我們要來介紹一下

SS(Subscriber Station)如何進入一個 WiMAX 網路的流程首先如圖 15 所示當

SS 開啟無線網路介面後第一個要做的動作是要掃描下行方向的可用通道接

著是要與 BS 進行同步的動作並且進一步取得上行方向的參數然後依序執行

距測協調基本功能取得授權向該網路註冊獲得 IP 位址最後幾項是取

得當天時間傳送運作參數建立開通參數然後完成一個 SS 進入 WiMAX 網路

的程序(本論文若無特別註明使用 MS則統一以 SS 代表 SS 與 MS 都具有相

同的機制)

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

22

Scan for

Downlink

Channel

Uplink

Parameters

Acquired

Downlink

Synch

Established

Obtain

Uplink

Parameters

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Complete

Ranging amp

Automatic

Adjustments

Basic

Capabilities

Negotiated

Negotiate Basic

Capabilities

SS authorization

And

Key Exchange

SS

Authorization

Complete

Register

with

BS

Registration

Complete

Establish IP

Connectivity

IP

Complete

Establish Time

of Day

Time of

Day

Established

Transfer

Operational

Parameters

Transfer

Complete

Establish

provisioned

connections

Operational

圖 15 [1] SS 進入 WiMAX 網路初始化流程

本小節會針對其中的距測與建立開通參數的部分做一個較為深入的介紹在

距測的部分是 SS 在要進入一個 WiMAX 網路前會進行一個初始距測(Initial

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

23

Ranging)以此程序來獲得相對時間和所需的功率等級當有上行連線建立後SS

會有定期的距測程序(Periodic Ranging)來持續追蹤時間和功率等級的變動公式

(1)與圖 16分別是距測所用來計算所需功率的公式以及一個距測程序 BS與 SS所

需要傳遞的訊息

RSSIBSEIRPEIRxPP MAXIRTX ----------------- (1)

其中參數 EIRxPIRMAX和 BSEIRP 是 BS 在 DCD 訊息中所提供的而 RSSI 是

在 SS 上所接收到的訊號強度

UL MAP Initial Ranging CID with Matching CDMA Code Parameters

RNG-REQ

RNG-RSP New Ranging Parameters and MAC Address

RNG-REQ

[If Ranging State = Continue ]

SSBS

Send ranging packet

in contention mode

with CID=0

Recognize its own MAC

address and store primary

and basic CID adjust-

transmission parameters

Send ranging packet in unicast

mode

Allocate primary and

basic CID and send

ranging response packet

圖 16 距測和參數調整程序

在距測的程序上主要是由 SS 對 BS 發出一個 RNG-REQ 訊息然後等待 BS

回應 RNG-RSP 訊息其中 RNG-RSP 會帶有 BS 決定出的主要 CID 與基本 CID

給提出要求的 SS如果 SS 在一段時間內沒有收到 RNG-RSP則該站台會認為

距測失敗並且會再等待一段「後退延遲」(Backoff Delay)後將 CDMA(Code

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

24

Division Multiple Access)碼參數以高一等級的功率發出如果在 RNG-RSP 的訊

息中指出該 CDMA 碼參數已被使用那麼 SS 將會在該 RNG-RSP 中指定的下一

個可以在單播模式下的時間點送出新的 RNG-REQ 封包這個程序要一直重複直

到 SS 收到一個 RNG-RSP 訊息並且帶有「狀態完成」(Status Complete)參數至

此才算完成距測程序然後 SS 才可以開始上行的傳輸

除了距測外另外一項相對重點的項目是「建立開通參數」其實在這個部

分主要的工作就是要在 BS 與 MSSS 間建立服務流以及其參數由於這個部分

也跟 QoS 有很大的關係所以將會在 24 以及 25 節一並做介紹

24 Service Flow Type 各項建議及考量

在 WiMAX 中一共定義了五種不同類型的服務流分別是不需請求的頻寬分

配(Unsolicited Grant ServiceUGS)延伸即時性輪詢服務(Extend Real-time Polling

ServiceertPS)即時輪詢服務(Real-time Polling ServicertPS)非即時輪詢服

務(Non-Real-Time Polling ServicenrtPS)盡力而為式的服務(Best Effort Service

BE分別詳述如下

首先在 UGS 的部分主要是用來支援固定速率的連線但限制是這種連線

必頇是小流量避免佔用太多的頻寬一般來說主要是用於 VoIP 的應用最大連

線速率一般是定為 64Kbps這類型的連線另一個特性是一旦建立連線後 BS

會固定發配頻寬給該條連線直到連線終止所以此類型的連線並不用提出頻寬要

求

在 ertPS 的部分主要的應用是用來支援有靜音抑制的 VoIP 連線在其沒有

語音封包傳輸的狀況下只用極小的封包來維持連線的持續最大的連線速率方

面也被限制在 64Kbps也就是最大的速率是與一般的 VoIP 應用是一樣的

在 rtPS 方面主要是要支援即時性的影音串流實際的例子可能是視訊會

議因為這種連線可能由於編解碼的結果造成傳送變動速率的資料封包但由於

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

25

是影像與聲音的結合所以必然會比單純只有聲音的 VoIP 應用還要高出許多並

且此類型的應用也要求不可以有太大的延遲以及抖動否則可能會有無法進行會

議的情況發生通常在最大速率的限制上會定在 1Mbps 而抖動的限制要在

100~200ms 內

在 nrtPS 方面主要的應用可能是一個非即時性的影音串流或是大量的網

路傳輸應用例如隨選視訊(Video On DemandVOD)或是 FTP(File Transfer

Protocol)應用這類型的應用通常會伴隨著較大的資料流量但對於時間延遲或

是封包抵達的抖動情況較不敏感所以目前針對這種非即時性輪詢服務的最大速

率限制較常訂為 2Mbps而延遲容忍則可以在 500ms~1000ms 左右

最後在 BE 方面可以說是在五種服務類型中最後處理的服務因為在目前

的研究與討論中大多定義 BE 為瀏覽網頁的的動作所以其在時間以及資料量

的要求上相較於其他應用並沒有那麼嚴格在其最大速率的限制上通常是介於

1~2Mbps但在時間延遲的限制上則通常可以在 1000ms~2000ms 左右

在介紹了各種服務流的不同特性後要介紹的是服務流的建立流程如圖

17 與圖 18服務流的建立除了可以由 SS 提出也可以由 BS 提出比較大的差

異是如果由 SS 提出BS 需要回應一個 DSX-RVD 來告訴 SS 其提出的 DSA-REQ

訊息是完整的在 BS 回應 DSA-RVD(圖 17)或是由 BS 提出 DSA-REQ(圖 18)之

前BS 都會檢查 SS 是否有得到授權來使用這些服務流不過檢查授權的部分並

不是在 IEEE80216 標準中制定的而是由更高層或是不同的系統提供者決定

接收到 DSA-REQ 的一端將會回應一個 DSA-RSP來告知提出服務流要求者是

否可以接受該條服務流並且回應一個 DSA-ACK 來完成服務流建立流程

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

26

DSX-RVD

DSA-REQ

DSA-RSP(with Admitted QoS Level )

DSA-ACK

MSBS

New service flow

needed

Check DSA-REQ

integrity [ If DSA-REQ Integrity Valid ]

Check whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

圖 17 由 SS 提出的服務流建立流程

DSX-REQ

DSA-ACK

DSA-RSP

MSBS

New service flow

neededCheck whether MS is

authorized for service

and whether the

requested QoS can be

supported

Create SFID

Confirm that MS can

support the service

Add the SFID to the list of

SFIDs

圖 18 由 BS 提出的服務流建立流程

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

27

25 QoS 物件模型

在 IEEE80216-2004 的標準中除了提出服務流建立的流程並且也定義的一

個 QoS 的物件模型如圖 19 所示在概念上在一個 WiMAX 系統中可以將 QoS

的 參 數 集 合 分 為 三 個 集 合 分 別 是 ProvisionQoSParameterSet

AdmittedQoSParamSetActiveQoSParamSet其中 Provisioned 的 QoS 集合可以

說是一個概念上或是屬於應用層的參數在這個集合內的 QoS 參數通常會較為

寬鬆因為在 Admitted 或是 Active 的部分都頇要達到比這個集合內更嚴格的要

求在 AdmittedQoS 集合內的參數則是代表該 WiMAX 系統可以達到這個要求

然而在實際進行的連線則頇要達到 ActiveQoS 集合內限制的參數數值圖 20 為

IEEE80216-2005 所提出的 QoS 物件模型除了原本在 IEEE80216-2004 中定義

的 MAC PDUService flowTransport Connection 與 Service Class更加上了與

PHS Rule 和 Classifier Rule在此比較需要解釋的是關於 Service Class 的部分

在標準中將這個部分設定為可以針對其他特定的標準或是演算法例如G711

H323SIP 等來設立一個特定的 QoS 參數集合因此要完美的解決 QoS 需要

三個次層的合作而不是單一一個次層就可以解決的表 5表 6表 7 是

IEEE80216-2005 所新訂出的一些關於 Service Class 的參數以及其數值大致上介

於哪些範圍

28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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28

AuthorizedQoSParamSet = ProvisionedQoSParamSet

(SFID)

AdmittedQoSParamSet

(SFID amp CID)

ActiveQoSParamSet

(SFID amp Active CID)

圖 19 通用的授權模式ldquoenvelopesrdquo

PHS Rule

PHSI

PHSS

PHSF

PHSM

PHSV

Classifier Rule

Classifier rule index

Classifier criteria

Service flow

SFID

Direction

[CID]

[ProvisionedQoSParamSet]

[AdmittedQoSParamSet]

[ActiveQoSParamSet]

Service Class

Service Class Name

QoS Parameter Set

Transport Connection

Connection ID

QoS Parameter Set

MAC PDU

SFID

[Service Class]

CID

Payload

01

1

1

01

1

01 1

1

N

N

N

N

圖 20 理論上的 QoS 作業物件模型

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

29

表 5 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124a 所定義的 QoS 參數項目

Position Name Size

(bits)

Value

I UplinkDownlink indicator 1 0 or 1

0 = uplink

1 = downlink

S Maximum sustained traffic

rate

6 Extensible look-up Table (Value

0b111111 indicates TLV to

follow)

T Traffic indication preference 1 0 or 1

0 = No traffic indication

1 = Traffic indication

B Maximum traffic burst 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

R Maximum reserved traffic rate 6 Extensible look-up Table (value

0b111111 indicates TLV to

follow)

L Maximum latency 6 Extensible look-up Table 124c

(value 0b111111 indicates TLV

to follow)

S Fixed-length versus

variable-length SDU indicator

1 0 or 1

0 = variable length

1 = fixed length

P Paging preference 1 0 or 1

0 = No paging generation

1 = Paging generation

R Reserved 4 Shall be set to 0b0000

表 6 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124b Traffic rate and burst values

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

6-bit Code

(binary)

Traffic rate

(bitss)

Burst

values

(bits)

000000 No

requirement

No

requirement

010000 192000 192000

000001 1200 1200 010001 256000 256000

000010 2400 2400 010010 384000 384000

000011 4800 4800 010011 512000 512000

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

30

000100 9600 9600 010100 768000 768000

000101 14400 14400 010101 1024000 1024000

000110 19200 19200 010110 1536000 1536000

000111 24000 24000 010111 1921000 1921000

001000 26400 26400 011000-11110 Reserved Reserved

001001 28000 28000 111111 TLV

follows

TLV

follows

001010 36000 36000

001011 44000 44000

001100 48000 48000

001101 56000 56000

001110 64000 64000

001111 128000 128000

表 7 [2] IEEE80216-2005 中 Table 124c Maximum latency values

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

6-bit Code

(binary)

Value

(ms)

000000 No

requirement

001000 50 010000 10000

000001 1 001001 100 010001-111110 Reserved

000010 2 001010 150 111111 TLV

follows

000011 5 001011 200

000100 10 001100 500

000101 20 001101 1000

000110 30 001110 2000

000111 40 001111 5000

本論文的 QoS 參數將會從這些標準的列表中選擇出合適的數值藉由標準

提供的 QoS 數值使得模擬的系統與結果具有較高的可信度另外透過 QoS 物件

模型的方式讓各項機制與 QoS 規範分離來達到較好的擴充性在第三章的部

分將會針對不同的排程機制或是相關的運作方式進行介紹

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

31

第三章 相關文獻探討

關於 WiMAX 在排程上的研究目前有眾多的論文提出一些解決的方法以

下本論文將會針對不同類型的排程方式進行一些介紹首先介紹的是 Y Wang[3]

所提出的排程方式一個最核心的概念是使用了共用處理佇列(Processor Share

Queue)當訊息在每一個站台或是群組(Group)中時會被標上一個優先權順序大

小在系統進入排程階段時便會依照這些優先權順序來將訊息(資料)排入準備傳

送的佇列中根據不同的訊務類型依序為 rtPSnrtPSBE 標上高中低的優

先權標籤進入共用處理佇列時則依照優先權的先排入 rtPS 的資料如果還有

可用的 buffer 則再給 nrtPS 然後最後再服務 BE 的資料若是屬於 UGS 的訊務因

為是頻寬要求較小而且為固定速率的連線所以在共用處理佇列中是會固定保留

頻寬給 UGS 連線直到該連線中斷該論文中並且提出一個針對不同優先權大小

所預測的延遲時間計算公式在模擬結果的部分比較此公式的數值分析與實際模

擬結果從結果的數據圖而言該排程的模式對於即時性的訊務可以達到較低的

延遲但對於非即時性的訊務例如 BE 則可能因為總訊務量的增加而造成時間

延遲的增長

在[4]中由學者 J W So 所提出的一個固定式配置(Persistent AllocationPA)

方式根據不同的MCS(Modulation and Coding Scheme) Level來分配資源給站台傳

送語音封包(在該論文中假設 VoIP 封包為固定大小)而 BS 將會發送三種訊息給

SS(1)PA 的 connection identifier(CID) (2)PA periodp來決定 VoIP 連線每隔 2P

個訊框發配可以發配頻寬(3)PA durationd決定 VoIP 連線可以連續傳送 2d-1

個訊框透過由 BS 決定好固定時間(週期)內讓 SS 發送 VoIP 的封包並且使用

相較於 CID 數量較少的 PA CID以降低語音封包的 Overhead進而達到低時間

延遲的要求並且將節省下來的頻寬用來傳送資料提高 Throughput並且使用兩種

模擬情境來比較數值分析以及模擬程式的結果第一種情境是在單一的 MCS

Level 下而第二種情境則是整個系統中包含了多種 MCS Level數據結果顯示

利用該種排程方式可以降低 UL-MAP 的大小並且提高 Throughput不過在使用

多種 MCS Level 的情況下效率會較低於使用單一種 MCS Level

在進一步關於 VoIP 與排程機制的研究上由 S Shrivastava 與 R

Vannithamby[5]提出的 Group Scheduling 為 VoIP 封包進行排程主要的一個概念

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

32

是利用在相同的 MCS Level 下使用 Bit Map 與新增一個 Group ID 來配置語音的

連線Bit Map 主要的功能是指出該站台在目前配置的訊框下有沒有語音封包需

要傳送模擬結果則使用 MATLAB 呈現並且與固定式配置動態式配置以及

數值分析做一個比較由模擬結果中確實可以得到系統容量(語音連線數量)與

MAP Overhead(MAP 所需的時槽數量)的增進與改善

A Sayenko 等人在[6]中提出一個在 IEEE80216 網路中確保 QoS 的排程機

制其主要的運作方式主要是類似 WRR (Weighted Round Robin)的方式利用各

種服務流的限制速率與系統可提供的頻寬來配置可以達到 QoS 要求的時槽(Slot)

數量並且在時槽數量的配置計算完後交錯其每一個站台的傳送時間這樣可

以減少傳送時間的延遲和抖動S Sengupta 等人在[7]中結合 R-sourceARQ 與

FEC 來改善 VoIP 經由無線通道傳送所造成的毀損及延遲

M Mehrjoo 等人在[8]中提出一個從經濟學借用的 Utility 函式來計算每一條

連線的公平性利用一個 α 值來預測最大可配置頻寬的比例並且考量到在無線

通道情況良好或是不好的時候要如何決定連線的最大速率與配置傳送功率達到

有效的利用並以此來維持公平性

S Xergias 等學者在[9]中提出一個針對 IEEE80216 網路上多媒體訊務的排

程方式其中最主要的概念是將每一個 MPDU 依據其不同的 QoS 以及調變方式

等建出一個樹狀結構並為每個葉子節點貼上不同的顏色當作傳送識別的依據

傳送的順序依序由綠色未著色紅色的順序傳送在模擬結果方面其時間延遲

以及傳輸量上確實可以看到五種服務流的區隔並且不會因為少量的 SS 站台就

使得優先權較低的服務流出現飢渴(Starvation)的狀態

X Zhu 等人在[10]提出一個保證 QoS 的排程以及資源配置的機制在該篇論

文的機制中根據不同種類的訊務來計算一個優先權例如在即時性服務流的部

分就是以其可以接受的延遲容忍以及訊框時間長度來計算優先權而在非即時性

服務流的部分主要是依據其佇列的長度來計算優先權並且在每一回的訊框中預

測下一次使用者連線與通道的配對該如何對應來達到最好的傳輸量

在[11][12][13][14][15]中提出了許多種的排程機制雖然不一定是使用在無

線網路中但也是值得參考的排程機制尤其是在[15]中提到一個與時間延遲

有關的優先權計算方式該公式利用 HOL(Head of Line)封包的時間延遲與該類

封包的延遲上限相除來得到一個優先權比例本篇論文依據此公式並且加以改

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

33

良成符合 MPDU 的優先權計算公式在介紹了眾多的論文及其方法後將要在

第四章描述關於本論文會使用到的 WiMAX 系統架構與運作機制並且說明如何

置入本論文提出的方法來達到 IEEE80216 網路中的 QoS 要求以及降低時間延遲

和提升整體傳輸量

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

34

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

35

第四章 於 WiMAX 網路中以優先權與群組之排程機制

如同在 24 節所提到的各種不同服務流所需要達到的 QoS 要求如果要將不

同的服務流實作在同一個 WiMAX 系統中並且滿足 QoS 的要求那麼一定會遇

到一個問題如何決定該類型封包傳送的順序來達到延遲傳輸量抖動等各方

面的要求在第三章討論的一些文獻中雖然針對即時性的服務流都有較好的支

援例如 UGSertPSrtPS但是相對的針對非即時性的部分則會增長或是犧牲

其在延遲或是傳輸量上的品質為了改善這個現象因此本論文將要設計一個

可以滿足各種服務要求的 QoS 並且在稍微壅塞的情況下保持非即時性的服務要

求不至於產生飢渴(Starvation)的狀況但在進入機制的說明前需要先介紹一下關

於整個模擬系統的運作模式最後指出本文提出的排程機制在模擬系統中的位

置

41 模擬系統剖析

首先如圖 21 所示在系統一開始的部分是由訊務產生器(Traffic Generator)來

成產生出不同的訊務資料然後送到 MAC80216 的接收函式MAC80216 的物

件接收到不同的訊務封包會開始進行分類的動作這個部分就是對應到標準中的

收斂次層的部分在進行完類型判斷後MAC80216 物件會針對不同的封包類

型進行不同的動作例如如果收到的是 BWREQ 的封包類型那麼 MAC80216

物件就需要判斷出是哪一條連線所提出的頻寬要求並把頻寬要求的數量加入到

站台資訊內以便後續的頻寬配置的函式作業另外一個例子是如果收到的是

資料封包那麼 MAC80216 需要判斷出該資料封包是屬與哪一條服務流並且

將封包加入該條服務流的 SDU 佇列中

在接收完資料封包後主要要進行的動作分為兩個一個是頻寬管理另一

個是 Scheduler在頻寬管理的部分如果是基於 PMP(Point to-Multipoints)模式

下是由 BS 來作決策規範哪一個時間點SS 可以使用哪些次通道來傳送或是

接收資料並且也會為距測或是競爭保留一些次通道這些資訊都會藉由 BS 廣

播 DLMAPIE 與 ULMAPIE 來通知各個在傳送範圍內的 SS 或是 MS而在

Scheduler 的部分則是取得由頻寬管理所決策出來的頻寬參數(符碼數偏移量

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

36

次通道數量)在準確的時間內決定站台中的服務流傳送優先順序以及傳送的

MPDU 數量這也是本篇論文主要改良的重點因為在一般的設計原則下為了

要滿足即時性服務的要求通常即時性的服務流會被優先傳送但是如果在頻寬

不足的情況下則會使得非即時性的服務流一直無法傳送所以在設計排程方式

的時候適當的限制了即時性與非即時性服務流的傳送比例藉由這樣的方式來

降低非即時性服務流產生飢渴的狀況在 Scheduler 中還有一項重要的任務就是

要進行封包的切割或是合併如果由上層來的 SDU 封包太大那麼將會切割成多

個 PDU 來作傳送反之如果 SDU 太小則為會由多個 SUD 組成一的 PDU 來傳送

並且在這個程序上加入了 PDU 的時戳方便接下來的優先權計算在離開

Scheduler 後要進入的就是 BsSsBurstTransmit 函式該函式主要的動作就是將各

個服務流中可以被傳送的 PDU 數量依序加入一個傳送佇列中(Transmission

Queue)在此佇列中會依照 PDU 所得到的優先權標籤來依序作排列越大的優

先權號碼將會越快被傳送至於如何計算該優先權號碼將在下一節作說明

在 PDU 封包離開 Transmission Queue 後會進入 PHY 層的運作在 PHY 層

之中主要的動作有兩個一個是將封包的行進方向由 DOWN 改成 UP 讓目標的

站台收到另一個是加入設定的空中介面參數例如 傳輸延遲(Propagation

Delay )訊號強度(SINR) 等等最後每個站台將會聆聽空中介面的通道如果

是屬於自己的封包那麼將會往自己的上層傳送

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

37

Traffic Generator

New Call or non-

New Call

NO

Yes (New Call)

SFID-CID mapping

rtPSUGS ertPS nrtPS BE

CID

CID

CID

CID

CID

Scheduler

FragmentationDefragmentation

PackingUnpacking

MAC PDUs

BSSF1 BSSF2 BSSF3 BSSFN

TransmissionQueue with

Priority ordered

Bandwidth

Management

Call Admission Control

DOWN

Burst Transmit

PHY PDU

UP or DOWN packet( belong Service Flow)

Upper Layer

802_16 Packet

Classify

Service Flow Packets

(SDU)

UP

Control Message Packet

SINRPER modeling

To BSN

on

80

2_1

6 P

ack

ets a

nd

Dire

ctio

n is ldquo

UPrdquo

Ranging DSA_REQ

BW_REQDCDUCD

Making

DownLink To SSs

UpLink From SSs

圖 21 模擬系統流程圖

42 基於優先權之排程演算法

為了達到一個公平的且滿足不同服務流 QoS 的目標本篇論文提出一個基

於不同訊務給予不同優先權之排程演算法藉由動態的計算優先權來為不同服務

流決定傳送封包的順序

如圖 22 所示在 BS 中排程的順序分別是依照每一個 SS 的順序(DLMAPIE)

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

38

並得到該站台的調變方式 (modulation)以及計算出預估的可用頻寬 (Evaluated

Available Bandwidth)再來是依照下行 BS Serviceflow 的順序來為每一條下行

的連線分配頻寬頻寬分別是依照(a)UGS (b)ertPSrtPSnrtPS (c)BE 三組順序來分

配頻寬(圖 22 中的 ScheduleType 參數由 65432 分別代表 UGSertPSrtPS

nrtPS 與 BE)當選擇到其中一條服務流為其進行頻寬分配時首先會將該服務

流的 SDU queue 封裝或切割成固定大小的 PDU 且放入 PDU queue 中然後由各

類型的分配規則決定出可以傳送多少個 PDU最後配置完所有的站台與服務流

後會呼叫 BsBurstTransmit 函式來執行 PDU 的傳送關於每一種服務流類型的頻

寬配置細節如圖 23 所示基本上頻寬使用的優先順序為(a)gt(b)gt(c)但這樣的

配置順序可能會在即時性訊務(UGSertPSrtPS)非常多的情況下擠壓到其他

種類訊務的傳送為了改善這個現象提出的流程會將頻寬分配的情況分為二

種一為當總頻寬仍然大於所有的頻寬需求那麼此時 BS 排程會盡可能的將可

用頻寬配置給提出要求的服務流

另外一種情況為當全部的訊務量要求已經超過 BS 可以提供的頻寬(飽和狀

態時)那麼本機制將會針對每一種頻寬進行總量的管制考量到各種訊務的特

性本機制設定 UGS 的頻寬保留為整體頻寬的 10因為 UGS 是一個比較穩定而

且小封包的傳送再來是各類的 PS 服務流總共保留 50的總頻寬因為 rtPS

與nrtPS的特性都是相較其他服務流有較大的訊務量並且可能有瞬間流量(Peak)

的情況產生因為對照到實際的應用上 rtPS 也較有可能是為影音串流所使用

若想要維持比較好的串流品質可能在總量上要使用較大的頻寬剩餘的頻寬則

留給 BE 的服務流以及未來可能的換手控制訊息使用在頻寬的分配上目前採用

的主要是固定大小的方式來限制頻寬分配因為如果是使用動態或是比例的方式

分配可能會造成要求較大的服務流或站台即可得到較多的頻寬而使得較晚進入

系統的服務流或是站台一直處於無法取得可用頻寬的窘境

在進行完每一條服務流可以傳送的 PDU 個數計算後需要把預估的總頻

寬扣掉預計可以傳送的 PDU 數量(以 Byte 為單位)若是在同一個 SS 站台下

可用的頻寬數都被扣光那麼該條服務流將會設定 BwReg 參數來進行下一回合

的頻寬要求

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

39

BsScheduler

DlMapIeBsServeceflow

While(DlMapIE)

Deciding modulation of SS and

Evaluate available Bandwidth

While(BsServiceflow)

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 6 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

FragmentOrPacking UGS-Bssf_DLrsquos SduQueue

Deciding how many PDUs the bssf can send

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 3~5 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

If(BsServiceflow direction==DownLink ampamp

ScheduleType == 2 ampamp

BsServiceflow-gtBacisCID==DlMapIe-gtCID )

NO

NO

NO next DlMapIE

next Bssf

NO

helliphellip

NO

BsBurstTransmit

圖 22 提出的 Scheduler 流程圖

40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless

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40

FragmentOrPacking Bssf_DLrsquos SduQueue

Bandwidth ndash bssf-gtcansendPDUsPDUSIZE

Bssf can send all the PDUs in the PduQueue

If bandwidth gt Bssf-gtPduQueuebyteLength()

Bssf can only send the PDUs which are less

then rest bandwidth(evaluated) and setting

the ldquoBwRegrdquo parameter

If BW_Reserve_for_QoSbandwidth

==True

UGS can use(send) 10 bandwidth

ertPS+rtPS+nrtPS can use(send) 50 bnadwidth

BE can use(send) the rest bandwidth

YES

NO

YES

NO

Next Bssf

While(Bssf)

YES

NO

next DlMapIE

hellip

圖 23 資源配置與 QoS 策略的決策流程

完成服務流的頻寬配置後要針對同一個站台內不同的服務流為他們的

PDU 貼上優先權的標籤藉由此目的可以降低時間延遲或是劇烈抖動(Jitter)的情

況因為原本的優先權設計皆是 UGS gt ertPS gt rtPS gt nrtPS gt BE在這樣的情況

下會造成過多的 UGSertPS 總是傳送而 rtPS 與 nrtPS 或 BE 的 PDU 一直在佇

列中等待而造成延遲超過最大容忍的情況發生本文所提出來的各種服務流封

包優先權計算公式如下所述

)(_ if 1

)(_ if _))(1(

)_(

_Pr_

_log

msTorlerant delaydelay priority

msTolerant delaydelaypriorityhighestBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriorityiorityHighest

Tolerantdelay

---(2)

其中 initial_priority 為系統一開始配置的初始優先權數值分別是 UGS 為

6ertPS 為 5rtPS 為 4nrtPS 為 3BE 為 2而 current_time 與 timestamp 則

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

41

是目前系統時間與 PDU 進入佇列的時間(時戳)以毫秒(ms)為單位BytesInQueue

則是該條服務流的 PDU 佇列長度(以 Byte 為單位)α 與 β 值則為延遲或佇列長

度在就算優先權中所佔的比例而 BufferSize 是該類型服務流一個合理的佇列大

小關於即時性服務流的 BufferSize 公式如公式(3)所示

)__(__ lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize

------------------------(3)

在 BufferSize 的計算上將會與不同訊務類型的最大訊務量以及其延遲容忍

的限制有關BufferSize 目前的設計為每個訊框的訊務量rate_per_frame

(bps(1s5ms))乘上延遲容忍最多可達幾個訊框(delay_Tolarentframe_length)各種

不同類型的訊務與其參數如表 8

表 8 各類型訊務計算優先權之參數表

Initial_

priority

Delay_

Tolerant (ms)

Buffer_Size

(bytes)

α

1-α

β Highest_

priority

UGS 2 100 800 075 025 1 256

ertPS 3 150 1200 075 025 1 256

rtPS 4 400 51200 075 025 1 256

nrtPS 5 1000 128000 075 025 1 256

BE 6 2000 256000 05 05 2 256

ertPS 與 rtPS 主要的差異在於最大訊務量的不同ertPS 在較多的論文與文獻

中[23]是使用 64Kbps 為最大訊務量而 rtPS 則使用 1Mbps 為最大訊務量在即

時性服務流的部分主要藉由時間延遲的指數成長來增長優先權在(2)式中的

priorityHighest

antDelayToler

_log 為一個次方數讓不同的服務流做不同的指數成長主要的依據為

即時性服務流的延遲容忍最大值Highest_priority 為一個選定的最大優先權數

字如何選定該數值將在 52 小節說明另外為了區分出每一條服務流的壅塞程

度並再加上該服務流的 BytesInQueue 除以合理的 BufferSize讓較為壅塞的服

務流可以有較高的優先權減少些微的壅塞狀況

在非即時性的部分主要的不同為延遲容忍較長特別是在 BE 的部分由於在

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

42

標準以及大部分的論文討論中並不要求其延遲容忍在本論文中以 nrtPS 的兩倍

來當作運算的標準並且將 BE 的時間延遲比例與佇列長度比例各設定成 12

也就是各 50因為對於 BE 而言其服務品質較著重於傳輸量而較不在意時間延

遲所以將其佇列長度在優先權計算中的比例增大來滿足這樣的特性此外在非

即時性服務流的 BufferSize 的限制上也變成即時性服務流的兩倍因為非即時性

服務流的訊務量通常大於即時性服務流這樣的設計可以減緩其優先權的成長不

會因為短時間內的訊務量大增(Peak)而大幅影響到極時性服務流的傳輸

針對 BE 公式如下

ms delay priority

ms delayBufferSize

ueBytesInQue

timestamptimecurrent

priorityinitialpriority

2000 if 1

2000 if 256)(21

)_(21

_2562000log

------------------------(4)

關於非即時性服務流的 BufferSize 公式如下

)__(__2 lengthframeTolarentdelayframeperrate

BufferSize-------------------------(5)

藉由所提出在頻寬分配與優先權排程機制的共同運作可以達到維持一定的

傳輸量低時間延遲以及各個站台或是服務流間的公平性第五章將呈現模擬結

果並且與[3]所提出的排程方式作比較

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

43

43 群組排程與資源配置

本論文在排程方式的改進上除了使用優先權的排程機制另外進一步在下

行方向結合了群組排程(Group Scheduling)的方式所謂的群組排程方式如圖 24

所示是將在同一個 MCS Level 中的站台一起進入 BS 的排程中並且將原本的

多 張 DLMAPIE( 相 同 調 變 方 式 下 ) 合 併 成 一 張 GroupInfo 資 訊 讓

BandwidthManagement 程序一起發配頻寬而進入 Scheduler 時決定一起決定資

料傳送的先後順序(下行方向的多個用戶台)這麼做的好處主要是可以再進一步

的降低即時性服務流的時間延遲並且可以減少 DLMAPIE 的數量 (MAP

Overhead)將節省下來的頻寬發配給資料傳送在協定的修改上需要新增訂

一個 GroupID 來標明哪些站台是屬於哪個 MCS Level 以便接下來的 Scheduler 進

行排程的動作在 BS Scheduler 方面原本依照個別站台進行資料的排程也變成以

Group 來進行資料的排程

另外在資源配置方面為了要避免站台或是群組間有飢渴的現象產生在每

次做完排程後將會把站台資訊列表或是群組資訊列表做一個旋轉的動作好讓

較慢進入系統的站台或是群組也可以在比較優先的順序取得資源避免掉飢渴的

狀況發生圖 25 為將站台資訊列表或是群組資訊列表做旋轉的示意圖在每次

的頻寬配置結束後會將 HEAD 指向下一個列表以保證每個列表都會有機會被

輪詢到透過群組排程的與旋轉資訊列表的方式可以有效率地配置頻寬降低頻

寬分配不均的問題圖 26 為以 Group Scheduling 方式進行資源分配程序的虛擬

碼

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

44

80216 BS

64QAM

16QAM

QPSK

TTG

Pre

amb

le

DL

-MA

P

UL

-MA

P

DL Burst 1(Group1)

DL Burst 2(Group2)

DL Burst 4

DL Burst 3

DL Burst 5

FC

H

Ranging

subchannel

UL Burst 1

UL Burst 2

UL Burst n

DL UL

hellip

RTG

圖 24 群組排程示意圖

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

45

SsInfo (SS1)

SsInfo(SS2)

SsInfo(SS3)

SsInfo(SS4)

SsInfo(SS5)

SsInfo_Head (at kth Frame)

SsInfo_Head (at k+1th

Frame)

SsInfo_Head (at k+2th

Frame)

SsInfo_Head (at k+3th

Frame)

SsInfo_Head (at k+4th

Frame)

圖 25 旋轉站台資訊列表示意圖

在下一個章節將會針對提出的方法分別在兩個情境下做模擬實驗分別

為(1)全部的站台都在同一種MCS Level下與(2)站台分別處於不同的MCS Level

下並且與第三章所提及的演算法做一些比較

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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332-342

46

圖 26 使用 Group Scheduling 並做資訊列表旋轉之虛擬碼

int moducoding=1

Start While(ssinfo)

GroupInfo=searchGroupInfo(modulcoding)

If(ssinfomodulcoding==modulcoding ampamp GroupInfo)

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

Else if(Group==Null)

new GroupInfo

GroupInfoModulcoding=modulcoding

GroupInfoBandwidth += ssinfoBwReq

If(GroupInfo_Head==null)

GroupInfo_Tail=GroupInfo_Head=GropInfo

Else

GroupInfo_Tail=GroupInfo

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

GroupInfo_Tail-gtnext=GroupInfo-gtnext

ssinfo=ssinfo-gtnext

SwitchModulcoding()

If(modulcodingMAX_modulcoding)

goto start

hellipready to entry Bandwidth allocation

GroupInfo=GroupInfo_Head

While(GroupInfo)

If(availBandwidthgtGroupInfoBandwidth)

allocate GroupNrsquos Bandwidth Reauest

Else

allocate remained availbandwidth for GroupN

GroupInfo=GroupInfo-gtnext

Rotate_GroupInfoList()

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

47

第五章 系統模擬

51 NS-2 環境設定

在整個模擬的系統上本論文使用的是 NS-2 網路模擬器[17]它是一個學術

界公認具有可信度的網路模擬器但在 WiMAX 的部分還沒有一個確定的架構

所以本文使用[16]所開發的模組來做為本論文排程機制的一個修改的基礎另外

模擬的 WiMAX 系統參數如表 9 所示將第一種模擬環境設定在 13 與 16 個次通

道的使用目的是為了建造一個較為壅塞的環境以此壅塞的環境來比較本論文

提出的演算機制與其他論文提出的演算機制之差異

表 9 WiMAX 模擬系統參數

模擬參數 數 值

Carrier frequency 25GHz

Permutation type PUSC

Physical Bandwidth 10 MHz

OFDMA frame length 5 ms

Symbol length 010084 ms

Number of symbols 48

One slot of

Uplink PUSC 3 Symbols

One slot of

Downlink PUSC 2 Symbols

Number of Subchannels in

DL-subframe 13

Number of Subchannels in

UL-subframe 16

Modulation QPSKQAM16QAM32

QAM64

PDU size 100 bytes

Service types UGSertPSrtPSnrtPS

BE

Antenna OmniAntanna

Proporgation TwoRayGround

QPSK 12 -79 dBm

QPSK 34 -76 dBm

16-QAM 12 -72 dBm

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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71

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

48

16-QAM 34 -69 dBm

64-QAM 23 -65 dBm

64-QAM 34 -63 dBm

站台內的參數則如同表 10 所示每個站台內各有八條不同服務型態與不同

方向的服務流在設定上而言由於上下行的服務流數量大致相同所以將符碼數

設定為 24 個給上行連線使用24 個給下行連線使用表 11 為各種服務類型在

模擬系統中的 QoS 要求

表 10 站台內的服務流連線設定

站台 下行服務流 上行服務流

SS1 BEertPSnrtPSrtPS BEertPSnrtPSrtPS

SS2 UGSBEertPSnrtPS UGSBEertPSnrtPS

SS3 rtPSUGSBEertPS rtPSUGSBEertPS

SS4 nrtPSrtPSUGSBE nrtPSrtPSUGSBE

SS5 ertPSnrtPSrtPSUGS ertPSnrtPSrtPSUGS

表 11 各種服務類型之 QoS 要求

服務類型 最大訊務流量 最小訊務流量 時間延遲容忍 抖動容忍

UGS 64Kbps 64Kbps 100ms 50ms

ertPS 64Kbps 8kbps 150ms[23] 50ms

rtPS 1Mbps 512kbps 400ms[24] 50ms[24]

nrtPS 1Mbps 512kbps 1000ms X

BE 1Mbps X 2000ms X

(X標準或文獻未定義)

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

49

52 實驗方法

在實驗的方式上將會設計兩種模擬環境第一種模擬環境是將所有的站台

都部署在同一個 MCS Level 之中並且比較本篇論文與其他論文提出的排程機

制並將次通道的數量刻意降低來模擬壅塞的狀況

第二種模擬的情況為多個站台分別處於不同的 MCS Level 下由於調變方

式的不同直接受到影響的是整體系統的傳輸量因此除了使用提出的排程方式

外也加入了群組排程的方法來增進效能圖 27 與圖 28 為兩種模擬情境的示意

圖五種不同的訊務流量則如圖 29~圖 33 所示

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(600550)

SS3

(600450)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

圖 27 所有 SS 站台位於相同調變方式之模擬環境拓僕

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

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ms)

20

15

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圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

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s)

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15

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5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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332-342

50

BS

(500500)

SS1

(500600)

SS2

(10001200)

SS3

(12001000)

SS4

(500400)

SS5

(400500)

64QAM

16QAM

圖 28 多個 SS 站台位於不同調變方式之模擬環境拓僕

圖 29 UGS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

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econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

51

圖 30 ertPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 31 rtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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332-342

52

圖 32 nrtPS 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

圖 33 BE 訊務於 45 秒內的流量分佈圖

另外關於優先權參數組合的選擇本論文分析了一些關於優先權參數與

Throughput 與 Delay 的比較如表 12 與圖 34圖 35 所示大致上可以看出

Highest_Priority 在 128 時可以有最好的 Throughput 與 Delay 表現而之後在 256

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

0

10

20

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50

60

70

80

90

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8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

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ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

Thr

ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

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Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

53

與 512 則看出效能表現趨於平緩本論文在實驗階段則是選擇 256 為最高的優先

權號碼其原因是因為考量到訊務量增加時可能會有更多不同的訊務狀況(不同

的 Delay 或是佇列於 Buffer 的長度)另一個原因是 256 剛好可以代表 2 進位的 8

次方也就是一個 Byte未來可能較有助於系統的最佳化

表 12 優先權計算之參數比較表

優先權參數組合 α β Highest_priority Average

Delay (ms)

Average

Throughput

(Kbps)

1 0875 0125 512 554353527 1140978

2 075 025 567892475 1140861

3 0625 0375 573626813 1141189

4 05 05 589271023 1140855

5 0875 0125 256 557912423 1140977

6 075 025 558963374 1141271

7 0625 0375 569258257 1140939

8 05 05 581484 1140853

9 0875 0125 128 544997748 1141338

10 075 025 555926988 1141452

11 0625 0375 577201056 1140943

12 05 05 594297100 1140816

13 0875 0125 64 560916029 1141226

14 075 025 575508689 1141148

15 0625 0375 590276687 1140883

16 05 05 595778632 1141095

17 0875 0125 32 585551133 1141102

18 075 025 608801357 1141008

19 0625 0375 618653118 1140967

20 05 05 635951192 1140833

21 0875 0125 8 818649180 1140295

22 075 025 847541296 1140227

23 0625 0375 893986166 114013

24 05 05 906122627 1140032

54

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10

20

30

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80

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100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

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ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

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8 32 64 128 256 512

Highest Priority

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α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

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DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

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10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

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圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

54

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Del

ay (

ms)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 34 各種優先權參數組合於 Delay 之效能比較

11390

11395

11400

11405

11410

11415

11420

8 32 64 128 256 512

Highest Priority

Ave

rage

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ough

put

(Kbp

s)

α =0875 β =0125

α =075 β =025

α =0625 β =0375

α =05 β =05

圖 35 各種優先權參數組合於 Throughput 之效能比較

55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

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Del

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er S

econd (

ms) 18

16

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12

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8

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2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

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s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

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e D

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per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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25A

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er S

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ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

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參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

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55

53 實驗分析與結果

531 多站台位於同個 MCS Level 下之模擬結果

在這個小節中首先要呈現的是在第一種情境(站台都在同個 MCS Level)中的

模擬結果圖 36 與圖 37 為 5 個 SS 站台共使用 40 條連線並且結合 Priority-Based

Scheduling[3]與 80216 模組[16]在上行與下行的延遲表現圖 36 由於 BE 的時

間延遲非常大於其他的連線所以將之拆成兩張圖(圖 36(a)與圖 36(b))以便觀察

其他連線的時間延遲狀況由此二個圖可以看出雖然滿足了即時性的服務但是

在非即時性服務的資料可能較容易被犧牲而產生相當高的時間延遲並且在上

行方向的 BE 會因為頻寬沒有發配而沒有被傳送BE 在圖 36 中平均時間延遲

已高達 4472 秒而在圖 37 中 rtPS 與 nrtPS 平均時間延遲為 53794 與 8023 秒都

已經超過 QoS 的要求

56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

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d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

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4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

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ge D

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y p

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Seco

nd

(m

s)

20

15

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5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

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Sec

on

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ms) 80

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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25A

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ms)

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

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56

(a)

(b)

圖 36 (a) (b)結合 WiMAX 模組與 Priority-Based Fair 排程之下行連線時間延遲

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

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(ms)

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DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

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圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

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圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

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圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

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圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

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在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

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Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

[7] S Sengupta M Chatterjee and S Ganguly rdquoImproving Quality of VoIP

Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

[8] M Mehrjoo M Dianati X Shen and K Naik ldquoOpportunistic Fair

Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

[9] S Xergias N Passas A Lygizou and A K Salkintzis ldquoA Multimedia

Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

2008

[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

ICC 2008

[11] Y C Lai A Chang C N Lai and C C Lin ldquoA Cross Fine-Tuning

Scheduling Scheme to Provide Proportional Delay Differentiation in a

Wireless LANrdquo IEEE AINA 2008

[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

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WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

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[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

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[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

57

圖 37 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之上行連線時間延遲

由圖 36 與圖 37 可以看出在壅塞的狀況下該演算法容易在某些連線中造成

極大的時間延遲而無法達到 QoS 的要求因此本論文將該配置優先權的方式再

加以改進並且調整一部分的資配置方式在壅塞的狀況下來達到 QoS 的要求

圖 38 與圖 39 為提出的演算法排程機制在上行與下行方向時間延遲的結果由

這兩個圖可以看出各種不同類型的訊務都有滿足其 QoS 的要求並且不會

因為些許的壅塞就產生嚴重的時間延遲或是讓非即時性服務流產生飢渴的現

象在圖 38 中 BE 與 nrtPS 的平均時間延遲為 1299 與 11806 毫秒rtPS 為 405

毫秒UGS 與 ertPS 為 043 與 020 毫秒五種下行服務流都有滿足 QoS 要求

在使用 16 個下行次通道的狀況下而在上行連線的部分平均時間延遲依照

UGSertPSrtPSnrtPSBE 分別為 095018301042195 毫秒亦都

有符合 QoS 的要求

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

6

4

2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

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econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

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332-342

58

(ms)

25

30

20

15

10

5

DLSFs Average Delay of Proposed Scheme

圖 38 使用提出排程方法之下行連線時間延遲

ULSFs Average Delay of Proposed Scheme

25

(ms)

20

15

10

5

圖 39 使用提出排程方法之上行連線時間延遲

除了比較時間延遲外也對傳輸量(Throughput)進行比較(在此以 Kbps 為單

位)圖 40 為結合 Priority-Based Scheduling[3]與 80216 模組[16]的上行與下行傳

輸量由圖 40 可以看出在上行連線的傳輸量上會較低於下行連線的傳輸量

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

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ms)

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圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

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在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and

Corrigendum 1 Feb 2006

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Scheduling for Multimedia WiMAX Uplink Trafficrdquo ICC 2008

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IEEE 80216e OFDMA systemrdquo International Journal AEU of Electronics

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Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

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Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

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Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

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and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

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Scheduling Scheme to Provide Proportional Delay Differentiation in a

Wireless LANrdquo IEEE AINA 2008

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multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

Computing vol8 no 1 Jan 2009

[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

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[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

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TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

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[22] H Schulzrinne and S Casner ldquoRTP Profile for Audio and Video

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[23] ITU-T ldquoone-way transmission timerdquo ITU-T Recommendation G114 May

2005

[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

Recommendation Y1541 June 2006

[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

59

主要的原因是因為頻寬的分配不夠精準使得BE這類優先權較低的服務流無法傳

送資料而 rtPS 這類的服務流則要求了太多的頻寬導致資源的浪費

圖 40 結合 WiMAX 模組與 Priority-Based 排程之傳輸量

而圖 41 為本論文提出的方法在上行與下行傳輸量上的結果可以看出在上

行 與 下 行 的 傳 輸 量 上 大 致 相 同 維 持 在 11000~12000Kbps 左 右

(DL11225KbpsUL11336Kbps)也就是相較於 Priority-Based Scheduling[3]結合

80216 模 組 [16] 的 上 行 傳 輸 量 大 約 有 3000~4000Kbps 的 成 長

(DL10795KbpsUL6917Kbps)

圖 41 使用提出排程方法之傳輸量

Throughput of Proposed Scheme

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

25

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms)

20

15

10

5

圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms) 18

16

14

12

10

8

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2

圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

Av

era

ge D

ela

y p

er

Seco

nd

(m

s)

20

15

10

5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

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per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

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Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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71

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

60

532 多站台位於不同 MCS Level 下之模擬結果

本小節將呈現不同站台處於不同 MSC Level 下提出的 Priority Scheduling

有無結合使用 Group Scheduling 之比較在此我們將之前本文提出的 Priority

Scheduling 簡稱為 PS而結合 Group Scheduling 後的排程機制稱為 PGS在第二

個模擬環境中將 SS3SS4SS5由原本的 64QAM 調變的位置向外移動到

16QAM 的位置由實驗的結果中發現使用 PGS 的機制可以有效的降低下行方

向的次通道使用量圖 42 與圖 43為使用本文 Proposed PS 在下行通道與上行

通道數量為 15 與 20 個的狀況下之時間延遲的數據結果由圖 42 可以得知不

管在即時性或是非即時性服務流的部分都沒有辦法達到 QoS 的要求特別在

BE 的部分從圖 42 中雖然可以看出是處於一個較低的時間延遲但實際上原始

數據中是因為有 3 條 BE 服務留連現在大約 4 秒後就沒有頻寬可以傳送資料造

成的原因則可能是因為頻寬分配的時候一直沒有分配給 BE 的部分(總是被某些

站台或是服務流先搶走頻寬資源)圖 43 為 Proposed PS 在上行方向的時間延遲

使用 20 個次通道基本上都可以滿足 QoS 的要求在圖 42 中五種下行服務流

的平均時間延遲分別為 UGS074 毫秒ertPS44798 毫秒rtPS396811 秒

nrtPS871191 秒BE472 毫秒在 PS 服務流的部分都超過了 QoS 的要求而

圖 43 在上行連線的部分時間延遲則分別為 UGS089 毫秒ertPS273 毫秒

rtPS362 毫秒rtPS1092 毫秒BE2164 毫秒在使用 20 個上行連線的次通道

下這些數值趨近於前一個小節的結果也代表著使用 20 個次通道大致上可以

讓提出的 PS 演算法達到 QoS 的要求

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

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圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

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圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

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20A

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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Corrigendum 1 Feb 2006

[3] Y Wang S Chan M Zukerman and Richard J HarrisrdquoPriority-based Fair

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[4] J W So ldquoAn efficient uplink mapping scheme for VoIP services in the

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[7] S Sengupta M Chatterjee and S Ganguly rdquoImproving Quality of VoIP

Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

[8] M Mehrjoo M Dianati X Shen and K Naik ldquoOpportunistic Fair

Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

[9] S Xergias N Passas A Lygizou and A K Salkintzis ldquoA Multimedia

Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

2008

[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

ICC 2008

[11] Y C Lai A Chang C N Lai and C C Lin ldquoA Cross Fine-Tuning

Scheduling Scheme to Provide Proportional Delay Differentiation in a

Wireless LANrdquo IEEE AINA 2008

[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

Computing vol8 no 1 Jan 2009

[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

PROBABILITY AND STATITICS Queuing Theoryrdquo VSP2004

[21] J G Andrews A Ghosh R Muhamed ldquoFundamentals of WiMAX

Understanding Broadband Wireless Networkingrdquo Prentice Hall 2007

[22] H Schulzrinne and S Casner ldquoRTP Profile for Audio and Video

Conferences with Minimal Controlrdquo IETF RFC 3551 July 2003

[23] ITU-T ldquoone-way transmission timerdquo ITU-T Recommendation G114 May

2005

[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

Recommendation Y1541 June 2006

[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

61

圖 42 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在下行方向服務流的時間延

遲

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圖 43 Proposed PS 在不同 MCS level 與使用下行上行次通道為 1520 在上行方向服務流的時間延

遲

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

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20

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5

圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless

Access Systems Amendment 2 Physical and Medium Access Control

Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and

Corrigendum 1 Feb 2006

[3] Y Wang S Chan M Zukerman and Richard J HarrisrdquoPriority-based Fair

Scheduling for Multimedia WiMAX Uplink Trafficrdquo ICC 2008

[4] J W So ldquoAn efficient uplink mapping scheme for VoIP services in the

IEEE 80216e OFDMA systemrdquo International Journal AEU of Electronics

and Communications pp 768-776 2008

[5] S Shrivastava and R VannithambyrdquoGroup Scheduling for Improving

VoIP Capacity in IEEE80216e Networksrdquo VETECS April 26-29 2009

[6] A Sayrnko O Allanen J Karhula T H am al ainen rdquoEnsuring the QoS

Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

[7] S Sengupta M Chatterjee and S Ganguly rdquoImproving Quality of VoIP

Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

[8] M Mehrjoo M Dianati X Shen and K Naik ldquoOpportunistic Fair

Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

[9] S Xergias N Passas A Lygizou and A K Salkintzis ldquoA Multimedia

Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

2008

[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

ICC 2008

[11] Y C Lai A Chang C N Lai and C C Lin ldquoA Cross Fine-Tuning

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[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

Computing vol8 no 1 Jan 2009

[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

PROBABILITY AND STATITICS Queuing Theoryrdquo VSP2004

[21] J G Andrews A Ghosh R Muhamed ldquoFundamentals of WiMAX

Understanding Broadband Wireless Networkingrdquo Prentice Hall 2007

[22] H Schulzrinne and S Casner ldquoRTP Profile for Audio and Video

Conferences with Minimal Controlrdquo IETF RFC 3551 July 2003

[23] ITU-T ldquoone-way transmission timerdquo ITU-T Recommendation G114 May

2005

[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

Recommendation Y1541 June 2006

[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

62

圖 44 為使用本文 Proposed PS 在不同 MCS Level 與下行上行使用 15 與 20

個次通道之傳輸量由此圖可以看出由於下行方向無法有效地分配頻寬給下行

方向的服務流要求以致於傳輸量的降低而上行與下行平均傳輸量分別為

8823Kbps 與 11366Kbps

圖 44 Proposed PS 在下行上行使用 1520 個次通道之傳輸量

圖 45 為使用本文所 Proposed PS 方式在下行次通道的使用量上一直要到使

用 20 個次通道才有辦法滿足下行方向服務流的 QoS 要求在上行方向的部分

如圖 46 所示則需要使用 24 個次通道來達到 QoS 的要求圖 45 五種下行服務

流連線的平均延遲則分別為 UGS056 毫秒ertPS003 毫秒rtPS369 毫秒

nrtPS1172 毫秒BE735 毫秒圖 46 五種上行服務流平均延遲為 UGS084 毫

秒ertPS016 毫秒rtPS355 毫秒nrtPS1088 毫秒BE2115 毫秒至此

五種上行下行服務流連線皆有滿足 QoS 要求

63

20A

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ms) 18

16

14

12

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

25

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圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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[6] A Sayrnko O Allanen J Karhula T H am al ainen rdquoEnsuring the QoS

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Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

[8] M Mehrjoo M Dianati X Shen and K Naik ldquoOpportunistic Fair

Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

[9] S Xergias N Passas A Lygizou and A K Salkintzis ldquoA Multimedia

Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

2008

[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

ICC 2008

[11] Y C Lai A Chang C N Lai and C C Lin ldquoA Cross Fine-Tuning

Scheduling Scheme to Provide Proportional Delay Differentiation in a

Wireless LANrdquo IEEE AINA 2008

[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

Computing vol8 no 1 Jan 2009

[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

PROBABILITY AND STATITICS Queuing Theoryrdquo VSP2004

[21] J G Andrews A Ghosh R Muhamed ldquoFundamentals of WiMAX

Understanding Broadband Wireless Networkingrdquo Prentice Hall 2007

[22] H Schulzrinne and S Casner ldquoRTP Profile for Audio and Video

Conferences with Minimal Controlrdquo IETF RFC 3551 July 2003

[23] ITU-T ldquoone-way transmission timerdquo ITU-T Recommendation G114 May

2005

[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

Recommendation Y1541 June 2006

[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

63

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圖 45 Proposed PS 使用 20 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 46 Proposed PS 使用 24 個次通道之上行方向時間延遲

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

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圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

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圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless

Access Systems Amendment 2 Physical and Medium Access Control

Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and

Corrigendum 1 Feb 2006

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Scheduling for Multimedia WiMAX Uplink Trafficrdquo ICC 2008

[4] J W So ldquoAn efficient uplink mapping scheme for VoIP services in the

IEEE 80216e OFDMA systemrdquo International Journal AEU of Electronics

and Communications pp 768-776 2008

[5] S Shrivastava and R VannithambyrdquoGroup Scheduling for Improving

VoIP Capacity in IEEE80216e Networksrdquo VETECS April 26-29 2009

[6] A Sayrnko O Allanen J Karhula T H am al ainen rdquoEnsuring the QoS

Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

[7] S Sengupta M Chatterjee and S Ganguly rdquoImproving Quality of VoIP

Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

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Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

[9] S Xergias N Passas A Lygizou and A K Salkintzis ldquoA Multimedia

Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

2008

[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

ICC 2008

[11] Y C Lai A Chang C N Lai and C C Lin ldquoA Cross Fine-Tuning

Scheduling Scheme to Provide Proportional Delay Differentiation in a

Wireless LANrdquo IEEE AINA 2008

[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

Computing vol8 no 1 Jan 2009

[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

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2005

[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

Recommendation Y1541 June 2006

[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

64

在 PGS 的部分則如圖 47 所示雖然滿足 QoS 要求之後時間延遲的數值

是與 Proposed PS 相差不大但是在次通道的使用上只使用了 15 個次通道便可以

達成 QoS 要求在相同的訊務量下圖 48 則是 PGS 在上行方向的時間延遲

基本上與 Proposed PS 在上行方向的時間延遲是相近的因為群組分配頻寬的動

作只有發生在下行方向在此數據圖中上行方向使用的次通道數量為 20 個

圖 47 中的平均時間延遲分別為 UGS055 毫秒ertPS003 毫秒rtPS411

毫秒nrtPS1787 毫秒BE3215 毫秒圖 48 則為 UGS089 毫秒ertPS027

毫秒rtPS362 毫秒nrtPS1092 毫秒BE2164 毫秒

90

Av

erag

e D

elay

per

Sec

on

d (

ms) 80

70

50

30

60

40

20

10

圖 47 Proposed PGS 使用 15 個次通道之下行方向時間延遲

65

25A

ver

age

Del

ay p

er S

econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

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71

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[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

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in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

65

25A

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econd (

ms)

20

15

10

5

圖 48 Proposed PGS 使用 20 個次通道之上行方向時間延遲

傳輸量方面如圖 49 與圖 50 所示兩種排程機制在滿足 QoS 要求後都

可以達到與訊務量大致相同的傳輸量在圖 49 中 DL 平均傳輸量為 11219Kbps

UL 平均傳輸量為 11366Kbps圖 50 中 DL 平均傳輸量為 11222Kbps UL 平均

傳輸量為 11366Kbps數值大致上相近但是兩者使用的次通道數量是不同的這

關係到整體最大頻寬的可配置程度如果 Proposed PS 也只使用上行與下行各 15

與 20 個次通道那麼將會因為有非常大的時間延遲或是封包遺失而影響整體的

傳輸量

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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71

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332-342

66

圖 49 Proposed PS 使用 2024 個次通道之上下行傳輸量

圖 50 Proposed PGS 使用 1520 個次通道之上下行傳輸量

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

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由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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Corrigendum 1 Feb 2006

[3] Y Wang S Chan M Zukerman and Richard J HarrisrdquoPriority-based Fair

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[4] J W So ldquoAn efficient uplink mapping scheme for VoIP services in the

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VoIP Capacity in IEEE80216e Networksrdquo VETECS April 26-29 2009

[6] A Sayrnko O Allanen J Karhula T H am al ainen rdquoEnsuring the QoS

Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

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2008

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Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

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and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

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multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

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[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

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[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

PROBABILITY AND STATITICS Queuing Theoryrdquo VSP2004

[21] J G Andrews A Ghosh R Muhamed ldquoFundamentals of WiMAX

Understanding Broadband Wireless Networkingrdquo Prentice Hall 2007

[22] H Schulzrinne and S Casner ldquoRTP Profile for Audio and Video

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[23] ITU-T ldquoone-way transmission timerdquo ITU-T Recommendation G114 May

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in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

67

由以上多個結果圖可以證實提出的排程演算法機制藉由 Proposed PS 與

Proposed PGS 的方式確實可以降低時間延遲並有效率地使用頻寬在模擬環境

上也考量多個站台在相同 MCS Level 下或是多個在台分別處於不同 MCS Level

的情況下透過不同的模擬環境來檢驗並改善原本只有基於優先權排程方式的缺

點下一個章節將對整體系統與排程機制提出結論並且說明未來改進的方向

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access

System Oct 2004

[2] IEEE 80216e-2005 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

Networks Part16 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless

Access Systems Amendment 2 Physical and Medium Access Control

Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and

Corrigendum 1 Feb 2006

[3] Y Wang S Chan M Zukerman and Richard J HarrisrdquoPriority-based Fair

Scheduling for Multimedia WiMAX Uplink Trafficrdquo ICC 2008

[4] J W So ldquoAn efficient uplink mapping scheme for VoIP services in the

IEEE 80216e OFDMA systemrdquo International Journal AEU of Electronics

and Communications pp 768-776 2008

[5] S Shrivastava and R VannithambyrdquoGroup Scheduling for Improving

VoIP Capacity in IEEE80216e Networksrdquo VETECS April 26-29 2009

[6] A Sayrnko O Allanen J Karhula T H am al ainen rdquoEnsuring the QoS

Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

[7] S Sengupta M Chatterjee and S Ganguly rdquoImproving Quality of VoIP

Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

2008

[8] M Mehrjoo M Dianati X Shen and K Naik ldquoOpportunistic Fair

Scheduling for the Downlink of IEEE 80216 Wireless Metropolitan Area

Networksrdquo QShinersquo06 Aug 7-9 2007

[9] S Xergias N Passas A Lygizou and A K Salkintzis ldquoA Multimedia

Traffic Scheduling for IEEE 80216 Point-to-Multipoint Networksrdquo ICC

2008

[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

and Resource Allocation Algorithm for IEEE 80216 OFDMA Systemrdquo

ICC 2008

[11] Y C Lai A Chang C N Lai and C C Lin ldquoA Cross Fine-Tuning

Scheduling Scheme to Provide Proportional Delay Differentiation in a

Wireless LANrdquo IEEE AINA 2008

[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

for real-time schedulerrdquo IEEE FGCN 2008

[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

Communication in On-Chip Networksrdquo IEEE RTSS 2008

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

Computing vol8 no 1 Jan 2009

[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

Lien J H Sum and C H Hung ldquoThe Design and Implementation of

WiMAX Module for ns-2 Simulatorrdquo WNS2rsquo06 Oct 102006

[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

TRANSIT MODEING Theory and Applicationrdquo KAP 2004

[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

PROBABILITY AND STATITICS Queuing Theoryrdquo VSP2004

[21] J G Andrews A Ghosh R Muhamed ldquoFundamentals of WiMAX

Understanding Broadband Wireless Networkingrdquo Prentice Hall 2007

[22] H Schulzrinne and S Casner ldquoRTP Profile for Audio and Video

Conferences with Minimal Controlrdquo IETF RFC 3551 July 2003

[23] ITU-T ldquoone-way transmission timerdquo ITU-T Recommendation G114 May

2005

[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

Recommendation Y1541 June 2006

[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

Hu rdquoGuaranteed QoS Provision Scheduling Mechanism for CBR Traffic

in IEEE 80216 BWA Systemsrdquo Journal of Internet Technology Vol 9

No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342

68

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

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71

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[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

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[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

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332-342

69

第六章 結論與未來研究目標

本論文針對 WiMAX 系統在 QoS 與排程上提出了改進的方法並且由模

擬結果中顯示藉由提出的排程機制可以在時間延遲以及傳輸量上面有顯著效能

改進藉由不同的 QoS 要求與資料封包在各服務流中的時間延遲來設計一個平

衡的排程機制利用這樣的順序可以滿足即時性服務流的要求並且維持非即時

性服務流持續進行

在進一步的設計中將模擬環境設定為支援不同的 MCS Level 的情境這

樣的情況下將原本的機制加上群組排程的概念提出 PGS 的排程機制利用在同

一個 MCS Level 中的多個站台在下行方向一起排程藉此來降低 DLMAPIE

Overhead增加傳輸量藉由結合並改進其他論文所提出的排程機制讓我們瞭

解各種排程機制的優缺點希望在未來實際佈建 WiMAX 系統時可以廣泛的應

用達到滿足 QoS增加系統容量等目標

由於本論文的結果是架構在 NS2 網路模擬器上針對其他論文提出的排程

方式只能盡可能地模擬所以在正確性上可能還要再多加檢驗希望在未來可以

將提出的排程機制應用在實際的機器上來驗證效能並且考量參數並調整使之達

到整體系統的最佳化

除了在排程機制上另外在資源配置與允入控制上也是 WiMAX 系統中重

要的議題因為未來 WiMAX 可能要廣泛的支援在城市與郊區除了要滿足不同

地域性的應用也需要重視用戶間的公平性與系統容量的平衡

70

參考文獻

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[6] A Sayrnko O Allanen J Karhula T H am al ainen rdquoEnsuring the QoS

Requirements in 80216 Schedulingrdquo MSWiMrsquo06 Oct 2-6 2006

[7] S Sengupta M Chatterjee and S Ganguly rdquoImproving Quality of VoIP

Streams over WiMAXrdquoIEEE Transaction on Computers vol 57 no2 Feb

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[8] M Mehrjoo M Dianati X Shen and K Naik ldquoOpportunistic Fair

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[10] X Zhu J Huo X Xu C Xu and W Ding ldquoQoS-Guaranteed Scheduling

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[12] S Baruah and S Vestal ldquoSchedulability analysis of Sporadic tasks with

multiple criticality specificationsrdquo IEEE ECRTS 2008

[13] SJ ZHANG X YU SH YU and BZ HUANG ldquoA DMR Fair algorithm

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[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

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71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

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[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

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[17] The network simulator-2 NS2 httpwwwisiedunanamns

[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

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[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

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[24] ITU-T ldquonetwork performance objectives for IP-based servicesrdquo ITU-T

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[25] Der-Jiunn Deng Li-Wei Chang Tin-Yu Wu and Chia-Cheng

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No4 2008 pp 403-409

[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

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332-342

70

參考文獻

[1] IEEE 80216d-2004 IEEE standard for Local and Metropolitan Area

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[14] Z Shi and A Burns ldquoPriority Assignment for Real-Time Wormhole

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71

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Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

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[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

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[18] DRCox and Walter LSmith ldquoQueuesrdquo CHAPMAN amp HALL1992

[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

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[20] PP Bocharov C DrsquoApice AV Penchinkin and SSalerno ldquoMODERN

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(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

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332-342

71

[15] D N Skoutas and A N Rouskas rdquoA Scheduling Algorithm with Dynamic

Priority Assignment for WCDMA Systemsrdquo IEEE transaction on Mobile

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[16] J Chen C C Wang F C D Tsai C W Chang S S Liu J Guo W J

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[19] NHM Wilson A Nuzzloao ldquoSCHEDULE-BASED DYNAMIC

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PROBABILITY AND STATITICS Queuing Theoryrdquo VSP2004

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[26] Y N Lin Y D Lin Y C Lai and C W Wu ldquoHighest Urgency First

(HUF) A latency and modulation aware bandwidth allocation algorithm

for WiMAX base stationsrdquo Computer Communications Vol 32 2009 pp

332-342