崑崑崑崑 山山山山 科科科科 技技技技 大大大大 學學學學

電子工程系二技部電子工程系二技部電子工程系二技部電子工程系二技部

專專專專 題題題題 研研研研 究究究究 報報報報 告告告告

以以以以 System Generator 實現模糊控實現模糊控實現模糊控實現模糊控

制器之制器之制器之制器之 RTL 模型模型模型模型

學生學生學生學生：：：： 劉端元劉端元劉端元劉端元

指導教授指導教授指導教授指導教授：：：： 陳朝烈陳朝烈陳朝烈陳朝烈 老師老師老師老師

中 華 民 國 九 十 六 年 五 月中 華 民 國 九 十 六 年 五 月中 華 民 國 九 十 六 年 五 月中 華 民 國 九 十 六 年 五 月

II

I

說說說說 明明明明

從二技的專題製作開始學習IEEE 802.11的行為以及應用

Matlab、CCS、ISE、System Generator、SignalWAVe軟體，主要部分

是由學長和老師來帶領學習的，而我就在一旁跟著學習如何設計與操

作流程，並且協助模擬、修改、與實驗等工作。

Q：為什麼要做這個題目 ?

A：使用 DSP + FPGA進行系統設計，以 FPGA為基礎的硬體模擬器

來做雛型驗證，有以下優點：

� 可立即燒錄進行電路驗證

� 可反覆燒錄進行測試

� 可進行硬體模擬

� 可快速建立系統原型

� 可縮短開發時程

� 可去除 IC測試成本

Q：我的貢獻在哪?

A：學習及協助學長，並將設計好的模糊控制器協助移轉到Virtex 4

II

Q：研究的議題是否別人沒有研究過？

A：沒有，模糊控制器的規則庫是客觀的(非經驗法則的)且可動態調

適的，並具有跨協定之介面，這是一般傳統模糊控制器所沒有的。

III

摘摘摘摘 要要要要

由於無線網路具有非線性和不確定性的性質，為了實現無線區域

網路802.11e無基礎網路的QoS，我們使用對不確定性受控對象有不錯

效果的模糊回授控制器。該控制器會根據上層通訊規格 (Traffic

Specification, TSPEC)的需求，由跨協定界面傳達到媒體存取控制層

(Media Access Control, MAC)作為控制器之參考輸入並進行對802.11e

之增強分散式通道存取功能單元 (Enhanced Distributed Channel

Access, EDCA)之控制，動態改變競爭視窗(Contention Window, CW)

之參數，以取得適當之傳送頻寬，因此可以合理且有效地分配網路資

源給不同的傳輸類別。

IV

目目目目 錄錄錄錄

說 明............................................................................................................ I

摘 要......................................................................................................... III

目 錄......................................................................................................... IV

表目錄......................................................................................................... VI

圖目錄........................................................................................................VII

第一章 相關簡介......................................................................................... 1

1.1網路架構及特性簡介 ............................................................................ 1

1.2嵌入式系統的概說 ................................................................................ 6

第二章 IEEE 802.11e介紹 ......................................................................... 8

2.1 無線區域網路之分散式協調功能 ....................................................... 8

2.1.1 分散式協調功能 (DCF)................................................................ 10

2.1.2 網路配置向量 (NAV).................................................................... 12

2.1.3 競爭視窗 (CW) ............................................................................. 15

2.2 EDCF的功能和缺點 ........................................................................... 17

2.2.1 EDCF的改善 .................................................................................... 24

第三章 模糊控制器 .................................................................................. 26

3.1 在 HCLC的模型之下MAC層的模糊控制度 ................................. 26

V

3.2 為什麼使用模糊控制器在MAC層 .................................................. 26

3.3 模糊控制理論...................................................................................... 27

3.4 模糊控制與頻寬之配置 ..................................................................... 28

第四章 實驗設計與模擬 ........................................................................ 32

4.1使用MATLAB ..................................................................................... 32

4.2 VIRTEX-4 FX LC System Board的介紹............................................ 33

4.3 使用 EDK ............................................................................................ 35

4.4 以 VIRTEX-4做 System Generator Simulink Online ........................ 64

第五章 結論............................................................................................... 70

參考文獻..................................................................................................... 71

VI

表目錄表目錄表目錄表目錄

表 1.1 IEEE 802.11各類標準比較表 .......................................................... 5

表 2.1 EDCA訊框類別表.......................................................................... 18

表 2.2 每個 AC的 CWmin/CWmax參數..................................................... 20

表 3.1 頻寬調整的模糊規則控制庫 ........................................................ 30

VII

圖目錄圖目錄圖目錄圖目錄

圖 1.1 Ad Hoc網路架構 .............................................................................. 3

圖 1.2 有基礎網路架構 ............................................................................ 33

圖 2.1 IEEE 802.11 MAC層架構表示圖.................................................... 9

圖 2.2 DCF模式示意圖............................................................................. 11

圖 2.3 RTS/ CTS 使用示意圖 ................................................................... 13

圖 2.4 網路配置向量的使用 .................................................................... 14

圖 2.5 CW值增加的方式 .......................................................................... 17

圖 2.6 802.11和 802.11e佇列 ................................................................... 19

圖 2.7 IEEE802.11e EDCA架構關係圖 ................................................... 21

圖 3.1 模糊控制架構圖 ............................................................................ 27

圖 3.2 輸入歸屬函數圖形 ........................................................................ 29

圖 4.1為控制器與 ns2架構圖 .................................................................. 32

圖 4.2為控制器與 ns2共同模擬的結果.................................................. 33

圖 4.3 Virtex FX12 LC 內部架構圖 ......................................................... 34

1

第一章第一章第一章第一章 相關簡介相關簡介相關簡介相關簡介

1.1網路架構及特性簡介網路架構及特性簡介網路架構及特性簡介網路架構及特性簡介

由於可攜式電腦（包含筆記型電腦 (notebook) 和掌上型電腦

(laptop)）普及率的快速成長，無線區域網路對今日的電腦及通訊工業

來講，將成為一項重要的觀念及技術。在無線區域網路的架構中，電

腦主機不需要像在傳統的有線網路裡，必需保持固定在網路架構中的

某個節點上，而是可以在任意的時間作任何的移動，也能對網路上的

資料作任意的擷取。大體說來，無線網路有四項特性與傳統的有線網

路不同：

一、無線網路的目的位址(Destination Address)通常不等於目的位置

(Destination Location)：

在有線網路裡，一個位址通常就代表一個固定的位置，然而在無線網

路裡，這件事不一定成立，因為在無線網路中，事先被給定位址的一

部電腦，隨時都有可能會移動到不同的地方。

二、無線網路的傳輸媒介會影嚮整体網路的設計：

2

無線網路的實體層和有線網路的實體層基本上有很大的不同，無線網

路的實體層有下列特性：

� 點和點之間的連結範圍是有限的，因為這牽涉到訊號強弱的關係。

� 使用了一個需要共享的傳輸媒介。

� 傳送的訊號未被保護，易受外來雜訊干擾。

� 在資料傳送的可靠性來講，較有線網路來的差。

� 具有動態的網路拓樸結構。

因為上述的原因，使得設計整個網路的軟硬体架構，就會和傳統的有

線網路不同。舉例而言，由於訊號傳送範圍的受限，使得無線區域網

路硬体架構的設計，就必需考慮到只能在一個有著合理幾何距離的區

域內。

三、無線網路要有能力處理會移動的工作站：

對無線網路來講，一個重要的要求就是，不但能處理可攜式的工作站

(portable station)，更要能處理移動式的工作站 (mobile station)，可攜

式的工作站也會從某一個位置移動到另一個位置，但長時間來看，它

通常還是會固定在某一個位置上。而移動式的工作站就有可能在短時

間內不斷的移動，且會在移動中仍對網路上的資料作擷取。

3

四、無線網路和其它 IEEE 802 網路層間的關係不同：

為了達到網路的透明化，無線區域網路希望做到在邏輯鏈結層就能和

別的網路相通，這使得無線區域網路必需將處理移動性工作站及保持

資料傳送可靠性的能力全做在網路媒介擷取層 (MAC Layer) 中，這

和傳統有線網路在媒介擷取層所需具有的功能是不同的。

圖 1.1 Ad Hoc網路架構 圖 1.2 有基礎網路架構

無線區域網路又可分為基礎網路架構如圖 1.2和無基礎網路架

構(Ad Hoc Network) 圖 1.1。 其中 Ad Hoc Network指的是一不需要

任何額外的固定架構設備（如：Access Point，AP），只需要無線網

路裝置即可組成的無線區域網路。使用者只要能位於任一個網路使用

者的傳輸覆蓋範圍內，就能互相傳遞訊息，並透過其他使用者為橋樑

來連接到更遠的使用者。因此，Ad Hoc Network的好處是隨時都可建

立起小型的無線區域型網路。而在 Ad Hoc Wireless Network 的環境

4

下，頻寬的使用方式是藉由媒體存取控制層(Medium Access Control，

MAC)的競爭機制來決定。雖然 IEEE802.11e[1]已經對不同需求的資

料區分不同的優先傳送等級。但對於多變的網路環境，其制訂的競爭

視窗機制（Contention Window，CW）仍有改善空間。在此我們希望

依照整個網路環境的變化做出適時的改變跟調整。因此我們偵測網路

狀態的改變，藉由模糊控制理論（Fuzzy Control Theory）來適時調整

競爭視窗的 CWmin參數。達到網路資源合理有效地分配，對於 IEEE

802.11e 來說，將資料依照優先權分類，對於高優先權的即時通訊(如

Video, Voice)給予較高且穩定的頻寬，對於較低優先權的非即時但必

須確保資料不會遺失(例如 ftp)給予較低但允許變化的頻寬。達到提高

網路頻寬使用率，增進整體網路傳輸的服務品質。而未來的無線網路

晶片是朝向 SOC（System On Chip）的趨勢，我們希望將模糊控制器

作成 SIP整合到系統晶片中，最後可以用 NS2無線網路測試平台來

驗證所設計的功能，因此可快速設計跟修改，控制器加快實現模糊控

制晶片設計程序。

5

表 1.1 IEEE 802.11各類標準比較表

IEEE 802.11各類標準比較表

標準名稱 工作頻帶 傳輸速率 使用技術

IEEE

802.11a

5.2GHz 54Mbps OFDM

IEEE

802.11b

2.4 GHz 11Mbps DSSS

IEEE

802.11g

2.4 GHz 54Mbps OFDM

IEEE

802.11n

5GHz 108~540 Mb MIMO

使用技術的說明

� OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing

(正交分頻多工)

� DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum(直接序列展頻)

� MIMO：multiple-input，multiple-output（多進多出）

下一代的標準 802.11n將推出，也就是使用MIMO的技術，可

以強化WiFi在傳輸速度和頻寬上，預計是下一個無線網路的主流。

6

1.2嵌入式系統嵌入式系統嵌入式系統嵌入式系統的概說的概說的概說的概說

� 嵌入式系統嵌入式系統嵌入式系統嵌入式系統(Embedded System)

嵌入式系統[2]在於結合微處理機或微控制器之系統電路與其專

屬的軟體，以達到系統運作效率成本的最高比。以達到系統運作效率

成本的最高比。今日舉凡行動電話、今日舉凡行動電話、手錶、電子

遊樂器、PDA、電視、冰箱…等民生電子與通訊產品，電動機車、電

動腳踏車，乃至於電動汽車等電動交通工具的控制核心，無不與嵌入

式系統息息相關。而在後PC時代的來臨，家電、玩具、汽車、新一

代手機、數位相機、先進的醫療儀器，乃至於即將到來的智慧型房屋、

智慧型辦公室與其他跟電有相關的器材設備，更是缺少不了嵌入式系

統這個核心技術。

何謂嵌入式系統?廣義來說，任何一種可程式化的電腦裝置，但

卻不是用在一般用途，就可以算是嵌入式電腦系統。舉例來說，個人

電腦並不能算是一種嵌入式系統，但是它卻常常用於建立嵌入式電腦

系統，像是一些電話系統就是採用個人電腦技術建立，而其他傳真機

或是控制傳輸裝置，則是採用特殊微處理機做出的嵌入式電腦系統。

7

根據英國電機工程師協會所做的定義—【嵌入式系統為控制、監

視或輔助某個設備、機器或甚至工廠運作的裝置】。它具備了下列四

項特性：

1.用來執行特定功能

2.以微電腦與周邊構成核心

3.需要嚴格的時序與穩定度

4.全自動的操作循環

由上述可知，嵌入式系統式電腦軟體與硬體的綜合體，亦可涵蓋

機械或其他的附屬裝置。整個綜合體設計的目的是在於滿足某種特殊

的功能，並用在各類實驗儀器、辦公設備、交通運輸設備、電信設備、

製造設備、建築設備、醫療設備、航太設備、及個人電腦等設備之上。

嵌入式系統可以分為硬體及軟體兩大部分，其中硬體的設計包括

單晶片控制電路的設計、網路功能設計、無線通訊設計及使用介面等

等，嵌入式軟體為資訊、通訊網路或消費性電子等產品系統中的必備

軟體，並專司於硬體產品的驅動、控制處理或基本介面功能，以提昇

硬體產品的價值，為該硬體產品不可或缺的重要部分，它常以韌體形

式呈現。

8

第二章第二章第二章第二章 IEEE 802.11e 介紹介紹介紹介紹

2.1 無線區域網路之分散式協調功能無線區域網路之分散式協調功能無線區域網路之分散式協調功能無線區域網路之分散式協調功能

在無線傳輸的網路環境之中 IEEE 802.11的MAC層[3][4]，提供

了二種不同功能的擷取方法：

� 分散協調式功能 (Distributed Coordination Function, 簡稱

DCF )

� 集中協調式功能 (Point Coordination Function, 簡稱 PCF )

所謂的「協調式功能」(Coordination Function) 是指一個用來決

定什麼時候，那個工作站可以開始傳送接收資料的一個機制。而 IEEE

802.11是採用 DCF來成為 IEEE 802.11 MAC的基本擷取方法，PCF

則是用來提供工作站接收/傳輸具有時限性的資料，而 PCF 則是建構

在 DCF之上，並且透過 DCF來完成。由 IEEE 802.11 MAC 通訊協

定的架構圖，可以知道 DCF與 PCF兩種功能是可以共存並且共容的。

9

MAC擴充層擴充層擴充層擴充層MAC擴充層擴充層擴充層擴充層免競爭式服務免競爭式服務免競爭式服務免競爭式服務(具時限傳輸具時限傳輸具時限傳輸具時限傳輸)

Distributed Coordination

Function (DCF)

競爭式服務競爭式服務競爭式服務競爭式服務(非同步傳輸非同步傳輸非同步傳輸非同步傳輸)

Point Coordination

Function (PCF)

集中式協調功能集中式協調功能集中式協調功能集中式協調功能分散式協調功能分散式協調功能分散式協調功能分散式協調功能

Backoff(time)

Polling

圖 2.1 IEEE 802.11 MAC層架構表示圖

選擇分散式協調功能 (DCF)的理由：

分散協調式功能 (DCF) 是 IEEE 802.11 最基本的擷取方法。所

以不管是在有基礎架構的無線區域網路 (Infrastructure Wireless LAN)

的網路環境或是在無基礎架構的無線區域網路 (Ad Hoc Wireless

LAN) 的網路環境之下，所有的工作站都具備有分散式協調功能。而

集中式協調功能 (PCF)卻是要使用輪詢(Polling)的方式，利用輪詢名

單來協調工作站傳輸資料。但是並不是所有的工作站都有輪詢的能

力，有能力回覆免競爭輪詢的工作站(CF-Pollable, 可輪詢工作站)，

它可以要求加入協調者的輪詢名單中。而無能力回覆免競爭輪詢的工

作站(Non CF-Pollable, 非輪詢工作站)，卻只能在免競爭週期中不能

傳送訊框，只能在收到訊框時回送一個回覆訊框。所以我們選擇分散

10

式協調功能(DCF)。

2.1.1 分散式協調功能分散式協調功能分散式協調功能分散式協調功能 (DCF)

分散協調式功能 (DCF) 是 IEEE 802.11 [4][5]最基本的擷取方

法。不管是在有基礎架構的網路(infrastructure)環境或無基礎架構的網

路(Ad hoc)環境之下，所有的工作站都應該具備有分散式協調功能。

而此功能主要是利用一種叫做載波感測多重擷取及衝撞避免

(carrier-sense multiple access/collision avoidance, CSMA/CA , [4])的技

術，讓不同的工作站能夠共享同一個傳輸媒介，以解決不同工作站之

間可能發生的擷取衝突。

IEEE 802.11 將訊框分成三種不同的優先權等級，每種優先權等

級的訊框在傳送之前都必需等待一段固定大小的時間，而此段間隔時

間稱為「訊框間隔」(Inter-Frame Space, 簡稱 IFS)，下面解釋幾個訊

框間隔的名詞：

� SIFS (Short IFS)：短訊框間隔，用來做立即的回應動作。而

要求傳送訊框 (RTS)、允許傳送訊框 (CTS)、回覆訊框 (ACK)

等等這些訊框，送出之後所等待的時間都是 SIFS等級。

� PIFS(PCF IFS)：PCF訊框間隔。在進行 PCF免競爭式傳輸功

11

能時，工作站傳送訊框前所必須等待的時間。

� DIFS(DCF IFS)：DCF訊框間隔。在進行 DCF 競爭式傳輸功

能時，工作站傳送訊框前所必須等待的時間。

� EIFS (Extended IFS)：延長訊框間隔。工作站若是進行重新傳

送訊框時所必須等待的時間。

其中它們時間長度大小分別為： SIFS < PIFS < DIFS < EIFS。而且等

待時間越短的訊框則代表具有較高的優先權等級，所以相對的它對於

頻道中頻寬的使用就會具有較高的使用權。

PIFSContention

Window

Defer Access

SIFSBusy Medium

DIFS

DIFS

Busy MediumBackoff-Windows

Slot Time

圖 2.2 DCF模式示意圖

當工作站發現傳輸的媒介由忙碌變成空閒時，此時還不能馬上送

出訊框，要依照訊框的優先權等級等待一段適當的訊框間隔時間，而

且在這段等待時間之內傳輸媒介仍保持是空閒的才能將訊框送出

去。雖然這時資料的傳送可以依照訊框間隔時間有優先使用媒介的順

序，但是同一個優先權等級的訊框發生衝撞的機會仍很高，因為同一

12

種權限的訊框在等候了相同的訊框間隔之後，若發現這段時間內媒介

為空閒，就會同時將訊框傳送出去造成衝撞的情形。解決這個問題的

辦法是，讓工作站等待訊框間隔之後，再等待一段由亂數所決定的時

間，才將訊框送出。而這段為了在競爭(稱為 Contention Window)時降

低碰撞的機率所產生的時間就叫做延遲時間(Backoff Time)。

儘管使用的是 CSMA/CA的架構，雖然在訊框傳送前會有亂數產

生的延遲時間(Backoff Time)，但還是可能發生衝撞，而當衝撞發生

時又偵測不出來，此時傳送的訊框就會漏失掉。

2.1.2 網路配置向量網路配置向量網路配置向量網路配置向量 (NAV)

在無線網路系統中，除了衝撞不易偵測出來外，實體層在使用載

波偵測技術時也容易誤判傳送媒介是否忙碌。所以 IEEE 802.11 為了

解決衝撞不易偵測與判斷傳輸媒介是否忙碌與否的問題使用的方法

為：在傳送端要傳送訊框前，先送出一個「要求傳送」控制訊框

(Request to Send, 簡稱 RTS)，而接收端在收到這個控制訊框時則在經

過一個 SIFS 訊框間隔後才會立刻回傳另一種「允許傳送」控制訊框

(Clear to Send, 簡稱 CTS)。而且只有當傳送端正確的接收到接收端所

13

回覆的 CTS 時 (表示傳送端所傳送的 RTS 沒有發生衝撞)，傳送端

才可以傳送出要傳送的資料訊框。利用接收端來允許傳送端傳送資

料，可以降低同一個時間內傳送端傳送訊框時與其他工作站發生衝撞

的可能性，再利用所謂的「虛擬載波偵測」(Virtual Carrier Sense)技術

中的「網路配置向量」(Net Allocation Vector, 簡稱 NAV)，來記載工

作站需要多少時間來傳送訊框，則其他的工作站就可以根據這些資訊

知道傳輸媒介現在是忙碌或是閒置，進而提高對於傳輸媒介的感測並

且大大的降低碰撞的機率。

RTSRTS

CTSCTS

DataData

ACKACK

起始工作站 目的地工作站

Optional

圖 2.3 RTS/ CTS 使用示意圖

RTS 訊框及 CTS訊框使用與否決定在於訊框的長度，但是使用

時必須成對使用。而使用時必須大於或等於系統所定義的一個參數

值，稱為 RTSThreshold的訊框長度，如此才可以使用 RTS/CTS。

14

RTS 訊框和 CTS 訊框在傳送時裡面都包含一記載著傳送端將

來要傳送訊框的持續時間(Duration)的欄位，而當別的工作站在看到

傳送端送出的 RTS 訊框，或接收端送出的 CTS訊框時，就會將裡面

記載的持續時間登錄到自己的網路配置向量裡。網路配置向量所記載

的等待時間可能一直累積，如此一來，時間未歸零前，就表示這個工

作站現在不能傳送訊框，因為其他工作站傳送訊框的時間還沒結束，

網路現在是忙碌的。而因為這個網路配置向量就好像具備了載波偵測

功能一樣，可以告訴其他的工作站目前傳輸媒介是否忙碌，因此才稱

為虛擬載波偵測法。

Contention

Window

Defer

NAV(RTS)DIFS 下一筆訊框Backoff-Windows

DIFS

延遲後之後退NAV(CTS)CTS

CTSCTS

訊框SIFS

SIFS

SIFS

起始工作站目的地工作站其他工作站

圖 2.4 網路配置向量的使用

RTS 訊框和 CTS訊框必須同時使用並且攜帶持續時間值的目的

15

就是為了要解決可能存在的隱藏工作站(Hidden Terminals)問題。因為

工作站的功率較小傳輸範圍有限，無法涵蓋整個擷取點的涵蓋範圍，

所以若是 CTS 訊框攜帶持續時間值，則可以讓所有擷取點涵蓋範圍

內的工作站都有相同的 NAV值，補足所有工作站無法接收到 RTS訊

框的問題，並且解決隱藏工作站可能造成的衝撞的問題。

2.1.3 競爭視窗競爭視窗競爭視窗競爭視窗 (CW)

在 DCF 的架構下，工作站想要傳送訊框必須先檢測傳輸媒介是

否閒置，並且等待一段訊框間隔時間(DIFS)之後，才可以立即傳送訊

框。如果一開始傳輸媒介就忙碌或是 DIFS 時間到之前有其他工作站

率先使用媒介傳送訊框，則必須持續監聽此訊框之傳送，等訊框傳送

結束後再繼續等待一段訊框間隔時間(DIFS)，此時，若是仍然沒有其

他工作站傳送訊框，則接著就會進入所謂的競爭視窗 (Contention

Window, CW)。在進入競爭視窗之後，為了防止工作站傳送的訊框發

生衝撞或錯誤現象，工作站本身會產生一段隨機的時間稱為後退時間

(Backoff Time)。這個後退時間會隨著時間開始遞減，工作站必須等

到其後退時間減為零時才能傳送訊框。若是只有一部工作站在倒數，

則遞減到零之後，工作站就直接開始傳送訊框，如果有多部工作站同

16

時進入競爭視窗時，在遞減的過程中若是有工作站優先倒數至零時，

則表示競爭視窗結束，其他的工作站將會保留遞減剩下的值，直到下

一段競爭視窗開始之後繼續遞減。但是儘管後退時間是經由亂數所產

生的，若是有過多的工作站，在增取媒介通道的使用權，則有可能發

生產生的後退時間相同或是同時遞減至零，則這些工作站將會因為同

時傳送訊框而產生衝撞的現象。一發生碰撞的現象，所有參與傳送訊

框的工作站無法接收到回覆的訊息，此時這些工作站將進行重送階段

(Retransmission)。而進行重送階段的工作站在進入競爭視窗前所等待

的時間將不是訊框間隔時間(DIFS)，而是延長訊框間隔時間(EIFS)。

在進入競爭視窗時其後退時間的計算也將不同。

後退時間(Backoff time)的計算方式如下：

Backoff = INT(CW x Random( )) x 時槽時間 公式 2-1

其中 INT(x) 整數函式，表示小於或等於 x 的最大整數，CW 是一個

介於 CWmin 和 Cwmax 間的整數，Random() 為介於 0 與 1 間的

實數。

時槽時間=傳送器開啟延遲+媒介傳遞延遲+媒介忙碌偵測反應時間

公式 2-2

CW是一個競爭視窗參數，每一筆訊框第一次傳送時採用的值為

CWmin。在 802.11 的標準中，每當因為工作站傳送的訊框發生衝撞

17

或錯誤現象而必須進行重新傳送的程序時，CW值就會依序增加，而

且 CW 的值會依照後退的次數呈倍數增加直到其值達到 CWmax 為

止。

CWmin

CWmax

7 1531

63

127 255 255

圖 2.5 CW值增加的方式

表示式為：

CW = CWmin × 2r – 1 公式 2-3

其中 r 所代表的是重新傳輸的次數。

2.2 EDCF的功能和缺點的功能和缺點的功能和缺點的功能和缺點

因為 EDCA 競爭存取規則是將傳統DCF加上優先權的機制而衍生出

來的，所以功能其實和 DCF十分相似。差別在於之前 DCF的工作站

18

只有一個 backoff時間在作倒數。而 EDCA為了達到 QoS的目的，將

工作站內部虛擬成四種佇列（Queue）分出不同優先等級的 AC（Access

Category）如下表 2.1。每個 AC佇列有各自不同的 CW下圖 2.6。所

以除了要跟不同工作站競爭之外，也要和工作站本身內部的其他 AC

競爭。

Priority AC(Access

Category) Description

AC_BK Background

AC_BE Best effort

AC_VI Video

Lowest

|

|

↓

Highest AC_VO Voice

表 2.1 EDCA訊框類別表

19

Backoff

AIFS[AC_VO]

CW[AC_VO]

PF[AC_VO]

Backoff

AIFS[AC_VI]

CW[AC_VI]

PF[AC_VI]

Backoff

AIFS[AC_BE]

CW[AC_BE]

PF[AC_BE]

Backoff

AIFS[AC_BK]

CW[AC_BK]

PF[AC_BK]

AC_VO AC_VI AC_BE AC_BK

Virtual Collision Handler

Transmission Attempt

Backoff

DIFS

15

1023

Transmission Attempt

Backoff

entity

Backoff

entity

One

priority

Legacy 802.11 station

with one backoff entity:

Higher priority Lower priority

7 6 5 4 3 0 2 1

IEEE 802.11e station with four backoff entities:

Eight priorities, 0-7 according to 802.1D,

are mpaaed to four access categories (ACs)

圖 2.6 802.11和 802.11e佇列

對於不同 AC，將給予不同的參數值。這些參數值就是競爭視窗中的

CWmin，CWmax和 AIFS (Arbitation Inter-Frame Space）。競爭視窗原

理與傳統 IEEE 802.11的 DCF相同，CW介於[CWmin CWmax]。每個

AC都有各自的 CWmin 和 CWmax值如表 2.2。

20

AC CWmin CWmax AIFSN

AC_BK aCWmin aCWmax 7

AC_BE aCWmin aCWmax 3

AC_VI (aCWmin+1)/2

-1 aCWmin 2

AC_VO (aCWmin+1)/4

-1

(aCWmin+1)/2

-1 2

表 2.2 每個 AC的 CWmin/CWmax參數

AIFS為工作站開始傳送資料前，經 SIFS 間隔後所要延遲的時間。公

式如下：

aSIFSTimeaSlotTimeACAIFSNACAIFS +×= ][][ 公式 2-4

根據公式 2-4每個 AC的 AIF時間會不一樣，因此 ACs進入倒數的時

間不同，以區別優先等級達到差異性服務。

21

SIFS

PIFS

AIFS[AC_VI]

AIFS[AC_VO]

AIFS[AC]

AIFS[AC]

Slot timeDefer Access

Next Frame

AC_BE

AC_BK

backoff

ACK

SIFS

AC_VI

AC_VO

=DIFS

RTSSIFS

CTS

圖 2.7 IEEE802.11e EDCA架構關係圖

基本上 EDCA工作原理和 DCF相似如圖 2.7。傳輸過程中，來源

端跟目的端也是藉由RTS/CTS內的網路配置向量（Network Allocation

Vector，NAV）來告知其他工作站，將佔用多少時間傳送訊框，其他

工作站會一直等待到傳送結束。當傳送完畢，通道空閒經過一個 AIFS

的時間間隔後，競爭視窗狀態啟動。在競爭視窗狀態下每個 AC必須

倒數自己 backoff time，最先倒數到零的 AC 將取得傳送的權力。當

有兩個以上的 AC同時倒數到零時就會發生碰撞。如果碰撞的 AC是

同一個工作站內部的佇列，就是所謂的內部碰撞(internal collision)。

內部碰撞其實是一種工作站虛擬的碰撞，最後傳送的權力將由優先權

22

高的 AC取得，而其他同時倒數到零的 AC，視為真正發生碰撞處理，

將進入重傳的程序。其他未倒數到零的 AC將會儲存倒數的值，直到

下一次競爭視窗狀態開始。如果碰撞的 AC是不同工作站的佇列，就

是真正傳送訊框而發生的碰撞，碰撞的 AC將進入重傳的程序。進入

重傳狀態的 AC ，其 CW 值將會因為碰撞而倍增，且下一次進入競

爭視窗狀態間隔不再是 AIFS，而是要等 EIFS （Extended Inter-frame

Space）時間間隔。每一個 AC的 Backoff值獲得由下式：

aslotTimeACCWRandomeBackoffTim ×= ])[,0(

公式 2-5

在此 Random(0,CW[AC])是均勻分佈。以隨機的方式在[0 ,CW]間取一

整數值。而 CW是由[CWmin , CWmax]間取一整數值。要注意是 AC的

CW是一參考值，每一個訊框的初始值是 CWmin。只有在碰撞或是傳

送錯誤而失敗的傳輸才會使得 CW增加。直到 CW增加達到 CWmax。

目前 802.11e現在面臨問題：

1. 網路狀態為非線性和不確定性：因為網路上有太多不可預測的因

子會隨著時間動態且未知的改變，想要預測網路狀態是很困難

的。這種狀況在行動無線網路更為明顯。因此，想要把網路制式

化是很困難的，我們需要以一觀測器去預估網路狀況。

23

2. 沒有特別去定義 TSPEC：在 802.11e的標準中，並沒有去規定如

何去實現動態或是靜態的 TSPEC。在行動無線網路，有些應用程

式是(variable bit rate , VBR)的資料流，其 TSPEC通常都是動態

的。在 MAC 層我們需要去實現且評估來自上層對動態跟靜態的

需求。

3. 硬體或是嵌入式系統的複雜度：去精確實現 TSPECs,我們還需要

簡化複雜度，考慮時間空間和功率消耗的需求。在無線網路這些

簡化有其必要性。因為近年來無線網路 MAC 層被廣泛的實現在

VLSI 或是嵌入式系統。所以需要考慮快速雛形，把 802.11e 的

QoS延伸到 RTL層面。

由於無線網路的非線性和天生不確定的特性，當以無線網路

的 QoS 管理為決解方法時，使用軟體的計算方式是最先被考量。一

些文獻推崇以 Fuzzy controls 作為無線網路的 QoS。在[6]中作者對傳

統的 802.11改善其 QoS的控制去符合 TSPEC。我們將這個控制器的

運用延伸到 802.11e的 EDCA。根據 generalized fuzzy automata (GFA)

theory 改善他的可行性和硬體實現在到嵌入式系統，來增強

IEEE802.11e 標準。

24

2.2.1 EDCF的改善的改善的改善的改善

EDCA的 backoff機制在低或是中等的網路負載下，還可以維持

好的效能，但是在網路接近飽和狀態下。其效能會變差，主要的問題

在於，過高的碰撞機率跟高的存取延遲所造成，造成低流量（low

throughput）。EDCA 的缺點在當訊框傳送成功後，下一次要傳送訊

框的 CW值將會回到 CWmin。這樣的機制就無法對當下的網路狀況給

予適當的 CW值。我們提出一個控制理論，可以根據網路狀況和每個

AC的頻寬需求來調整合適的 CWmin值。也就是說 CWmin不在是一個

固定值，而是一個讓網路的資源能對不同需求的訊框依網路狀況改變

CWmin值，所以MAC層用此控制演算法有下列的特性：

1. 支援動態 TSPEC：

最大好處就是對於 VBR 的多媒體應用跟行動無線網路。當整個

無線網路有其他的工作站加入或結束連結，針對 VBR 的應用，上層

會根據需要和環境狀態來支持不同頻寬。即使在 CBR(Constant

Bit-Rate)的應用，在任何一個可移動的工作站，當它處於移動狀態

時，將會造成同的 TSPEC需求。我們想由控制器針對動態的 TSPEC

作立即調整工作站的內部參數，來滿足 TSPEC 的需求。解決 2.2 節

第 2個問題。

25

2. 對動態網路適應控制：

我們所建議的控制系統的觀測器會偵測網路的效能，評估網路狀

態並且提供回授給控制器和上層協定。由 TSPEC 內含的頻寬可容忍

遺失率，MSDU長度，延遲變化，根據系統狀態最大可能的改變速度

來設計此觀測器。我們的控制器提供了解決 2.2節第一個問題的方法。

3. 穩定性、有效性、效能性：

根據機率理論[6]的穩定性和有效可性。根據[6]和 GFA 理論

[7][8]，我們先控制在極限的範圍時，觀測無線網路的狀況。然後依

據所觀察的現象，我們定義控制器的模糊規則（Fuzzy rules），來產

生合適的控制器。根據 GFA[7][8]由此構成的控制器是穩定的。

26

第三第三第三第三章章章章 模糊控制器模糊控制器模糊控制器模糊控制器

3.1 在在在在 HCLC的模型之下的模型之下的模型之下的模型之下MAC層的模糊控制度層的模糊控制度層的模糊控制度層的模糊控制度

以往的網路架構層與層之間少有相互交流資訊，使得整個網路無

法順利傳輸，而在我們提出的跨層模糊控制器應用讓跨層設計可以協

調層與層之間的資源，以真正的滿足不同需求，可說是層與層之間的

一個協調者。

3.2 為什麼使用模糊控制為什麼使用模糊控制為什麼使用模糊控制為什麼使用模糊控制器在器在器在器在MAC層層層層

由於控制器的目標值可由上層 TSPEC 得知，這個目標值是根據

上層所需頻寬來決定。所以只要我們控制 MAC 存取延遲等於目標

值，就可達到保留頻寬且符合傳送頻寬需求。而控制器就是可以藉由

調整MAC層中的 CWmin值來達到目的。

27

3.3 模糊控制理論模糊控制理論模糊控制理論模糊控制理論

模糊控制理論是經由以人類思考的模式，將輸入的訊號之明確值

轉成模糊值。在經由控制規則庫中專家知識與經驗的建構，並透過推

論機制產生出模糊值，最後在經由解模糊化後對系統進行控制。這些

方法已經在許多地方，用來解決利用環境參數作為控制環境變數的問

題，尤其是在解決不確定性甚至是非線性問題的時候，用來增加提高

決策準確度。

模糊控制器模糊控制器模糊控制器模糊控制器 Network(plant)+SLA頻寬設定頻寬設定頻寬設定頻寬設定參考值參考值參考值參考值 控制訊號控制訊號控制訊號控制訊號 流量流量流量流量誤差誤差誤差誤差 t− + d/dt ∆∆∆∆t

圖 3.1 模糊控制架構圖

模糊控制器的設計步驟包含有模糊化(Fuzzifier)、建立模糊規則

庫(Fuzzy Rule Base)、定義模糊推論(Fuzzy Interence)與解模糊化

(Defuzzifier)等。

28

以下介紹如何使用模糊控制理論進行有線頻寬之控制，在無線網

路MAC層調整DCF參數以達到頻寬之配置，最後整合說明使用模糊

控制理論之完整DiffServ模型。

3.4 模糊控制與頻寬之配置模糊控制與頻寬之配置模糊控制與頻寬之配置模糊控制與頻寬之配置

網路中已經使用 Token Bucket的方式對有線的頻寬加以控制，然

而對於這樣的頻寬分配從 NS2 模擬中可以看出來並不是非常穩定有

效，況且如果要針對網路瞬息萬變的狀況對頻寬再加以動態分割，必

須使用動態的方法將頻寬有效地利用，在此我們將頻寬作為控制指令

給 Token Bucket，讓它可以依據網路狀況縮放封包的流量，達到真正

有效的有線的頻寬配置，以下是使用模糊控制器的設計過程：

� 模糊化

控制器的輸入通常都是屬於明確值，而輸出也是明確值，但是所

使用的控制規則庫則是以語言的形式來表示，所以必須將明確值模糊

化，才可以轉換到語言變數(Base Variable)所對應的論域中。

選取三個語言項(Linguistic Term)作為語言變數(Base Variable)的

值：N、Z、P，其中 N：Negatively Big，Z：Zero，P：Positively Big，

輸入變數經由模糊化之後可以得到歸屬函數(Membership Function)如

29

圖 3-2。 μ(t ) N Z P0-5 51-1

μ(△t ) N Z P0-5 51-1

圖 3.2 輸入歸屬函數圖形

� 建立模糊規則

將所要使用來控制網路狀態的控制規則描述下來，並將控制規則製作

成控制規則庫，如此可以很清楚的描述出所要的控制規則。將控制規

則描述於下，並將控制規則製作成控制規則庫如表 3.1所示：

R1：IF t is P and △t is P, THEN B is N

R2：IF t is P and △t is Z, THEN B is N

R3：IF t is P and △t is N, THEN B is Z

R4：IF t is Z and △t is P, THEN B is N

R5：IF t is Z and △t is Z, THEN B is Z

R6：IF t is Z and △t is N, THEN B is P

R7：IF t is N and △t is P, THEN B is N

R8：IF t is N and △t is Z, THEN B is P

30

R9：IF t is N and △t is N, THEN B is P

流量誤差變化量

△t

t t

P Z N

P N N Z

Z N Z P

流量誤差

t N Z P P

表 3.1 頻寬調整的模糊規則控制庫。

規則 1：如果流量誤差為 P，而流量誤差的變化量為 P，表示網路中

封包流量過大而且流量的變化也正向變大，所以必須將降低

頻寬，需要設定頻寬調整值 N，以快速降低頻寬。

規則 2：如果流量誤差為 P，而流量誤差的變化量為 Z，表示網路中

封包流量過大但是流量的變化穩定，需要設定頻寬調整值

N，以緩慢降低頻寬至目標值。

規則 3：如果流量誤差為 P，而流量誤差的變化量為負向 N，表示網

路中封包流量過大，但是流量趨勢已經在減少中，需要維持

先前設定的頻寬調整值 Z，讓頻寬依此趨勢逐漸降低回設定

目標。

規則 4：如果流量誤差為 Z，而流量誤差的變化量為正向變大 P，表

示網路中封包流量維持一定但變化量增加，則需將頻寬調整

值設定成 N，以將頻寬拉回到目標值。

31

規則 5：如果流量誤差為 Z，而流量誤差的變化量為 Z，表示網路中

封包流量維持一定而且變化量也沒有變化，則需將頻寬調整

值設定成 Z。

規則 6：如果流量誤差為 Z，而流量誤差的變化量為負向變大 N，表

示網路中封包流量雖已到達目標但是有減少的趨勢，則需將

頻寬調整值放寬設定成 P。

規則 7：如果流量誤差為 N，而流量誤差的變化量為 P，表示網路中

封包流量不足但變化量增加，則需將頻寬調整值設定成 Z，

讓頻寬依此趨勢逐漸升高回設定目標。

規則 8：如果流量誤差為 N，而流量誤差的變化量為 Z，表示網路中

封包流量不足且沒有變化的趨勢，則需將頻寬調整值設定成

P，以讓頻寬逐漸拉高。

規則 9：如果流量誤差為 N，而流量誤差的變化量為 N，表示網路中

封包流量不足且流向還在減少中，則需將頻寬調整值設定成

P，以讓頻寬快速拉高。

經由 t 與△t 之間的變化，所產生的控制規則庫，就可以使頻寬

依據流量之間的變化調整網路傳輸的頻寬。

32

第四章第四章第四章第四章 實驗設計與模擬實驗設計與模擬實驗設計與模擬實驗設計與模擬

4.1使用使用使用使用MATLAB

下圖 4.1為以 Simulink完成的控制器連接 NS2共同模擬結果，綠色

框框為控制器的部分，為MAC control，根據網路上的變化量，動態

改變 CWmin值，可有效提高網路效能。紅色的部份是 NS-2的輸出端，

輸出目標延遲（goal delay）、期望的 backoff（bk）、MAC存取延遲

（MAC access delay），藍色則是回傳 CWmin值到 NS-2 MAC。由下

圖 4.2可知符合要求。

: 控制器

圖 4.1為控制器與 ns2架構圖

33

goal_delay

mac_access_delay

圖 4.2為控制器與 ns2共同模擬的結果

4.2 VIRTEX-4 FX LC System Board的介紹的介紹的介紹的介紹

功能描述：

� Xilinx XC4VFX12-10FF668 FPGA

� 64MB of DDR SDRAM

� 4MB of Flash

� 10/100/1000 Ethernet PHY

� On-board 100MHz LVTTL Oscillator

� On-board LVTTL Oscillator Socket (4/8-Pin Oscillators)

� P160 Connectors

� LCD Panel

� Platform Flash configuration PROM

� PC4 JTAG Programming/Configuration Port

� SystemACE™ Module Connector

� CPU JTAG Port

� CPU Debug Port

� RS232 Port

� Four User LEDs

� Four User Push Button Switches

� An 8-position DIP Switch

� USB-RS232 Bridge

34

圖 4.3 Virtex FX12 LC 內部架構圖

35

4.3 使用使用使用使用 EDK

1.開啟 Xilinx Platform Studio用精靈產生一個範例

36

2.開啟資料夾儲存檔案

37

3.以這個範例建立到 hello資料夾

4.按 OK儲存

38

5.產生一個新的設計

39

6.點選訂製的板子

40

7.此範例是用 ppc virtex4 xc4vfx12 ff668 -10

41

8.設定如下

42

9.用 uart rs232做一個範例

43

10.設定位元、鮑率、Parity Type

44

11.選 16K就可以了

45

12.可 Test可用可不用，能自己產生範例程式

46

13.直接按 Next

47

14.按 Next

48

15.按 Generate

49

16.按完成

17.按確定

50

18.開始使用工作平臺

51

19.打開 ucf設定 virtex4的接腳

52

20.＃號為註解，設定完接腳記

53

21.打開 cmd，設定為 p 2

54

22.改為 p2了

55

23.打勾Mark to Initialize BRAMs

56

24.打開 Sources的.c檔，程式需寫在裡面

25.按 lib可產生用到的函數庫，可參考說明怎麼用;然後按 netlist

57

26.產生 Bitstream

58

27.按 Update Bitstream

59

28.先打開超級終端機再 Download至 Virtex4

60

29.打開超級終端機

61

30.輸入連線名稱

31.選 COM1

62

32.連接埠設定如下

33.設定完成

63

34.傳輸結果

64

4.4 以以以以 VIRTEX-4做做做做 System Generator Simulink Online

1.連接好下圖的電路

65

2.選 New Compilation Target

66

3. 在 Target Board Information打入名稱(可任意命名)

Add > virtex4 xc4vfx12 -10 ff668

Frequency → 50 MHz Pin Location B15 (virtex4之 clk pin)

JTAG Options 按下 Detect 自動產生 IR Lengths

Boundary Scan Position 2

Save Zip & Save Files後即可離開

4. (1)Download the plugin to a temporary directory.

(2)From the MATLAB command window, change directories to the

temporary directory where the plugin is saved.

(3)From the MATLAB command window, type

在 matlab command windows下

commandxlInstallPlugin('virtex4.zip')←將產生的 compilation加入

>> xlInstallPlugin('myplugin.zip')

67

5.選擇 virtex4，按 Generate

6. 合成 bit檔完畢

68

7. 連接好，記得常數 Sample time改 1，Binary Point改 0，然後按執

行。

8.更改 Constant的數值和取樣時間為 1

69

9.更改 Gateway In的參數 Binary Point改 0

10.產生的結果正確

70

第第第第五五五五章章章章 結論結論結論結論

無線網路本身具有不確定性及不穩定性，因此我們必須保證多媒

體影音串流的穩定性與公平性；IEEE 802.11e QoS是為了多媒體傳輸

而制定的，卻沿用傳統分層的設計方法，雖然有改善傳統多媒體串流

頻寬擁擠的缺點，還有改善的空間，所以我們將HCLC應用在IEEE

802.11e QoS，將之強化。HCLC控制器涵蓋了IEEE 802.11e的MAC層

以及傳輸與應用層。上層接收MAC的存取延遲回授並計算新的參考

輸入，也就是新的通訊規格TSPEC給MAC，MAC層模糊控制器調整

EDCA中倒退機制參數。最後的FPGA（Field Programmable Gate

Array）雛型和網路模擬器NS2結合，進行系統階層之模擬與驗證，由

實驗可以發現所設計之通訊網路模糊控制，不但可以即時配置網路之

頻寬，對於SoC整合提供了極好的功能、便利性以及重覆使用性。

71

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

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area networks - Specific requirements Part 11: Wireless LAN

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72

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[9] 黃耀德，“分散式 IEEE 802.11e 無基礎網路服務品質模糊控制器

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