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1 國立中央大學 通訊工程研究所 碩士論文 EPON 與 整合接取網路之動態頻寬管理方法研究 Study of Dynamic Bandwidth Management in Integrated EPON and Access Networks 研究生 : 林正彥 指導教授 : 陳彥文博士 中華民國九十八年六月

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5 論文名稱 :EPON 與 整合接取網路之動態頻寬管理方法研究 校所組別 : 國立中央大學通訊工程研究所網路組 研究生 : 林正彥 指導教授 : 陳彥文 論文提要及內容 : 本文主要討論光纖與無線接取網路的整合, 目的在於提供多元應用服務類型傳輸的品值服務保證 (quality of service, QoS) WiMAX 與被動式乙太光纖網路 (EPON) 為目前兩種重要的接取式網路, 它們設計來提供更大的傳輸頻寬, 更多元的應用服務像是 VoIP IPTV 和 VoD 等等 ; 另一方面 WiMAX 所提供的無線傳輸技術 (last mile) 以及 QoS 機制讓使用者可以隨時隨地上網,EPON 則是能佈署較廣的通訊範圍以及提供較大的頻寬 因此整合這兩種網路 (ONU-BS) 將可以有效的結合它們的優點, 朝向固定式與行動式網路服務的目標進行整合 (fixed-mobile convergence, FMC) 針對本文的研究, 在整合有線與無線網路的問題在於討論頻寬分配, 有線網路通常只需要考慮到流量瞬時大小和佇列的狀態 無線網路因為受通道狀況影響容易形成多重路徑的訊號衰減 (fading), 因此本文提出一有效的動態頻寬管理 (dynamic bandwidth allocation,dba), 考慮不同的資料類型 (service-class) 以及通道狀況 (channel-condition) 來分配頻寬, 並且加入虛擬佇列 (virtual-queue) 以記錄各個使用者的頻寬使用情況, 來做為分配的依據 本文的目標在於頻寬的分配上能有效的提供差異化服務以及針對 WiMAX 所提供 QoS 參數進行分配, 配合所設計的頻寬分配機制以發揮最佳的頻寬使用率 單位生產量 以及保障不同應用服務所需的 QoS 參數 關鍵字 :IEEE EPON FMC 服務品質保證 頻寬資源管理 接取網路 III

6 Abstract This study investigates the integration of fiber and WiMAX networks for the provision of quality of service (QoS) applications. The hybrid EPON and WiMAX architecture is studies to further realize the ambition of fixed mobile convergence (FMC). We assume the ONU of EPON and the WiMAX BS are tightly integrated as the ONU-BS for better resource management. In order to provide QoS management, we propose a dynamic bandwidth allocation (DBA) algorithm for the above hybrid architecture to achieve efficient traffic scheduling by taking the channel condition and QoS requirement into consideration. The QoS categories defined in EPON and WiMAX connections are properly mapped and arranged for the achievement of better resource utilization and the satisfaction of connection demands. The Virtual Queue concept is applied in the proposed algorithm to allocate resource by using the principle of proportional fairness for the smooth uplink transmissions over the integrated hybrid network. The effectiveness of the proposed scheme is examined through simulations to understand the satisfaction of different QoS requirements. The QoS parameters of RT, NRT, and BE traffic between SS and ONU-BS are measured and the resource allocated between ONU-BS and OLT are comparatively studied and analyzed. Our simulation results show that the proposed algorithm can meet the desired objective. Keyword:IEEE EPON FMC QoS DBA broadband access IV

7 致謝 關於這一篇論文, 感謝指導教授陳彥文老師, 在我研究的過程, 對於思考邏 輯, 問題剖析以及簡報能力都有所啟發與教導, 也感謝口詴委員劉惠英博士, 吳中實博士, 陳健博士, 彭亦暄博士的蒞臨指導, 並且提供許多寶貴的意見 關於研所這兩年, 首先感謝老師與學長姐, 經由計畫的參與和實作, 讓我著實在專業能力以及溝通技巧學習到許多 這段時間, 我最開心的事情就是, 有機會認識了很多不錯的朋友, 不管是實驗室的同學或是來自不同領域的朋友, 因為與你們的相處讓我體會及學習到許多的事物, 我們互相討論 鼓勵 幫忙 關心, 交換意見與信念, 還有一起玩! 這些對我來說都是相當有意義的 一直以來, 你們總是辛苦的經營家庭, 目的是希望我與弟妹能順利走自己的路, 謝謝你們! 感謝總是特別低調的學姐 希望以後能夠跟妳一樣厲害, 謝謝您的指導與影 響 在未來 期盼自己可以有能力與機會回饋這個環境 回想兩年前, 懵懵懂懂, 謝謝你們! Thank u all, truly. V

8 目錄 中文摘要.. I 英文摘要. II 致謝. III 目錄. IV 圖目錄.....VI 表目錄.....IX 第一章緒論 前言 研究動機 論文架構 第二章相關背景研究 PON 被動式光纖網路協定 - 基本介紹 EPON 拓樸架構 EPON 資料鏈結層 - (Multi-Point Control Protocol) EPON QoS 架構 IEEE 都會型無線網路 -- 基本介紹 IEEE 資料鏈結層 IEEE 實體層 IEEE QoS 架構 整合 EPON 與 WiMAX 第三章動態頻寬分配演算法 系統架構介紹 整合流程圖 VI

9 3.3 OLT [ONU-BS] 頻寬分配演算法 [ONU-BS] SS 頻寬分配演算法 rtps 分配優先權計算 nrtps-min 分配優先權計算 nrtps 和 BE 分配優先權計算 第四章模擬與結果分析 模擬環境介紹 模擬結果分析 第五章結論與未來研究 參考文獻 VII

10 圖目錄 圖 QoS Architecture Design Trade Off [3] 圖 被動式光纖協定演進 圖 EPON 拓樸架構 圖 Format of generic MPCP frame[5] 圖 Format of GATE and REPORT frame[5] 圖 EPON 下行 (a) 與上行 (b) 傳輸 [6] 圖 EPON 頻寬詢問的控制訊息交換示意圖 [7] 圖 Intra-ONU and inter-onu scheduling [9] 圖 TDD frame structure [14] 圖 協定分層架構圖 [14] 圖 SDU 分類媒合至適當的 CID( 從 BS 到 SS) [14] 圖 MAC PDU format [14] 圖 PHY 層 SC OFDM OFDMA 調變技術 圖 適應性調變和編碼技術 [14] 圖 subcarrier 種類 [1] 圖 OFDMA symbol time 架構 [14] 圖 Independent architecture 圖 Hybrid architecture 圖 Microwave-over-fiber architecture 圖 Hybrid architecture[17] 圖 EPON/WiMAX 整合運作流程 圖 頻寬請求與資料匯集流程圖 圖 OLT [ONU-BS] 頻寬分配流程 VIII

11 圖 OLT [ONU-BS] 頻寬分配流程 圖 UL FTP traffic model 圖 OLT-[ONU-BS] Throughput 圖 [ONU-BS]-SS 的 Throughput 比較 圖 Proposed 頻寬請求滿足率 圖 WE-DBA 頻寬請求滿足率 圖 Proposed average delay 圖 WE-DBA average delay 圖 α value 對 throughput 的影響 圖 Only channel condition 與 Proposed 的 Total throughput 圖 Only channel condition 與 Proposed 的 rtps throughput 圖 α value 對 throughput 的影響 IX

12 表目錄 表 d 適應性調變和編碼系統相關訊息 [16] 表 各種 QoS 服務類型參數 表 Notation Table 表 Parameters used to set up simulation environment 表 各種服務類型平均流量 X

13 第一章緒論 1.1 前言 接取與骨幹網路技術一直在網際網路世界扮演相當重要的角色, 從早期單純乘載資料, 後為頻寬瓶頸與不同應用服務的需求 (VoIP IPTV FTP), 延伸出在 IP 網路 (connectionless datagram) 上提供服務品質保證 (quality of service, QoS) 的概念 在 90 年代由 Internet Engineering Task Force (IETF) 針對 IP 網路提出整合式服務 (IntServ), 提供 per-flow 的概念給予服務品質保證, 藉由服務品質參數如 : 封包延遲率 (delay bounds) 封包遺失率(loss rate) 頻寬(bandwidth) 等參數, 使得每條封包流 (traffic flow) 遵守所定義的參數在路由器間 (network layer) 傳輸並有效的保留頻寬, 之後提出了差異性服務 (DiffServ) 強調核心網路 (core backual) 的單純化, 以 per-class 為導向 往後大部份的網路技術在服務品質保證 (QoS) 的設計都朝著這兩大架構作取捨, 如圖 1.1.1; 需要的網路服務品質越高, 則控制訊息越多, 設計的元件和協定越複雜 ; 反之則可以讓網路架構簡化卻失去了服務品質保證, 因此還是要針對於網路技術的應用層次取得一平衡點在下一世代網路 (NGN) 所強調的 All-IP-Network, 使得在不同網路間 (heterogeneous) 的溝通更為重要, 特別在有線與無線網路之間的整合 (fixed-mobile convergence, FMC) 由 IEEE 制定出 802.3ah 被動式光纖網路 (EPON), 可提供較大的頻寬 佈署較長的傳輸距離, 但目前仍有成本效益的問題 ; 另一份也是由 IEEE 制定的 都會型無線網路技術 (WiMAX), 因應支援行動性與換手能力而提供了廣而遠的通訊覆蓋範圍, 有效降低了部署的成本, 並提供多媒體服務品質保證等特性, 但也會產生共享有限頻譜資源的限制以及通道干擾的現象 因此可藉 - 1 -

14 由整合這兩種網路技術的優點, 有效提供更多使用者更即時 不失真 更迅速的 網路通訊服務, 然而也可以提供營運者更簡單的架構 更低的成本 更有效的利 用去建置通訊網路, 本文特別針對以上兩種代表性的網路協定進行討論與整合 圖 QoS Architecture Design Trade Off [3] - 2 -

15 1.2 研究動機 近幾年網路技術持續的發展, 網路上的應用服務更是推陳出新, 一個好的網路技術應可支援更多元的應用服務 ; 而一個好的應用服務則有可能需要好的網路技術, 兩者關係可說是相輔相成 WiMAX 的規格內 [1] QoS 為其主要特色之一, 使用者對於傳輸資料類型有不同的需求且希望能達到預期的服務品質 因此, 排程設計在此扮演最重要的角色 排程屬於 規格裡未定義的部分, 這部分可讓廠商自行設計出好的演算法以達到使用者需求 EPON 在規格內 [2] 並沒有完整的定義 QoS, 然而降低設計的複雜度及控制訊息所產生的 overhead 以提供更多的頻寬, 因此有許多相關的研究在討論頻寬分配的議題 這兩種網路的整合, 代表著整合性服務與差異性服務的取捨 藉由在服務品質保證的設計的取捨, 需要的網路服務品質越高, 控制訊息越多, 設計的元件和協定越複雜 ; 反之則可以讓網路架構簡化但卻失去了服務品質保證, 因此整合這兩種網路技術將可以更有彈性的針對應用服務與網路技術間取得一平衡點 在未來將會有更多元的應用服務, 這些服務也許需要相當大的頻寬 支援更佳的行動性 低延遲性, 所以異質性網路的整合將會扮演相當重要的角色, 因為它將會帶來更具彈性 公平 覆蓋率等特性 - 3 -

16 1.3 論文架構 本論文共分五章, 除本章節外, 各章節的安排如下 : 第一章緖論介紹網路技術的演進, 以及近幾年都會型網路的掘起, 並提出整合式網路的想法, 並在此章節中敘述本論文的研究動機, 最後則簡述出文章內的各章提要 第二章文獻回顧本章討論 EPON 與 WiMAX 從 MAC 層和 PHY 層角度來探討兩種網路的協定, 針對整合兩種網路所需要的條件深入討論 第三章動態頻寬分配演算法本章節將討論在 EPON/WiMAX 整合網路上所提出的動態頻寬分配機制 第四章模擬環境 結果與討論第五章結論與未來研究 - 4 -

17 第二章相關背景研究 本章節將會詳盡介紹 EPON 與 WiMAX 兩種網路協定並且導入相關的參考文 獻, 針對網路整合所需考慮的架構與問題做分析與介紹 2.1 PON 被動式光纖網路協定 - 基本介紹 最近幾年可以看到電信級骨幹數目大量成長, 可以看出現今對於網路頻寬需求提高的程度, 特別在與用戶端最近的區域 (last miles) 在頻寬存取就遇到了瓶頸, 在未來視訊隨選, 網路高畫質電視, 更多元的互動式遊戲或是視訊會議電話等服務技術的出現, 需要更多更快更有效的頻寬存取能力, 被動式光纖網路 (passive optical network) 因此而形成 關於被動式的光纖網路 [4] 之所以稱為被動式是因為它不需要主動式硬體元件 (active ethernet) 輔助傳輸 最早是由 FSAN 推動並由 (ITU G.983) 制定出 APON, 即 OSI 第二層 (MAC layer) 是運用 ATM 的傳輸方式, 在 1995 年左右 FSAN 曾大力推動 ATM 承載技術 ; 卻因乙太網路的崛起和佔有率再加上 ATM 電信及網路結構在目前 IP 網路上面傳輸的先天缺點, 因此之後有 IEEE 所制定的 EPON 標準, 以及由 ITU/FSAN 負責制定欲用來替換 APON 的 GPON 標準, 一直到現在兩種被動式光纖網路的相關協定仍制定中如 802.3av G.984.x 圖 被動式光纖協定演進 - 5 -

18 2.1.1 EPON 拓樸架構 EPON (Ethernet Passive Optical Network) 的網路拓樸如圖 2.1.2, 為點對多點 (Point to Multi-Point; P2MP) 由光纖局端器(optical line termination, OLT) 與光纖用戶端 (optical network unit, ONU) 可形成樹狀 環狀 或是匯流排狀拓樸 ; 並且經由光纖媒介相互連接,OLT 主要功能為控管用戶頻寬, 並隨時動態修改頻寬設定, ONU 通常則是置放於用戶端附近的電信機箱以提供使用者上網 圖 EPON 拓樸架構 - 6 -

19 2.1.2 EPON 資料鏈結層 - (Multi-Point Control Protocol) EPON 制定的規格編號是 802.3ah, 亦即延伸 的訊框架構 (ethernet frame) 而來, 然而在 內定義了兩種基本的傳輸模式, 一種是多重存取 / 碰撞偵測 (CSMA/CD) 另一種即是利用交換器連接各個節點一方面可提供緩衝 (buffer) 另一方面可作全雙工傳輸 而 EPON 的傳輸方式並不能只用其中一種而是結合兩種方式,ONU 在起始請求時會利用競爭方式來傳送控制訊號, 接下來 OLT 控制端會依照排程給予時槽區間 (slot) 做傳輸, 即 TDM 架構 (time-sharing), 而且 OLT 會分配給每一個 ONUs 一個邏輯鏈結識別碼 (Logical Link Identification,LLID) 以做傳輸過程的辨識 且 EPON 的網路架構為點對多點 (P2MP), 因此在規格內制定了多點控制協定 (MPCP), 主要功能包括頻寬的詢問 Ranging 和排序, 它利用了 64 位元組的控制訊息在 MAC 層實現這些功能, 如圖 圖 Format of generic MPCP frame[5] - 7 -

20 Opcode 內分別定義了幾種控制訊息 : Gate: 由 OLT 傳送給 ONU, 用來告訴 ONU 從什麼時候開始傳送資料, 以 及可以傳送多久的時間, 最多一次可以傳送 4 組時槽 (slot), 圖 左邊 Report: 由 ONU 傳送給 OLT, 跟 OLT 報告目前有多少資料在 queue 中等待 傳送, 通常他會使用 piggyback 的方式夾帶在資料的結尾, 另外還有 keep alive 的作用, 最多一次可以傳送 8 個佇列 (queue) 的狀態, 圖 右邊 Register_REQ: 由 ONU 傳送給 OLT, 用於 ONU 的自動發現 Register: 由 OLT 傳送給 ONU, 用於 ONU 的自動發現 Register_Ack: 由 ONU 傳送給 OLT, 用於 ONU 的自動發現 圖 Format of GATE and REPORT frame[5] - 8 -

21 EPON 下行傳輸時,OLT 會廣播封包至每一個 ONUs, 而各個 ONUs 僅需依照 LLID 接收自己的封包即可, 並忽略其他封包 然而在上行的傳輸會較複雜, 因每個 ONUs 共用一條通道, 為避免封包的碰撞, 因此採用 TDM 的方式傳送, 可經由 Report 訊息, 由 OLT 分配每一個 ONU 能夠傳送資料的時段, 每一個 ONU 只能在分配到的時段中傳送資料, 由於 EPON 沒有封包分割與重組的機制, 因此當傳送資料的時段中, 所剩的時間不足以傳送下一個封包時, 只能等到下一個時段再傳送, 圖 圖 EPON 下行 (a) 與上行 (b) 傳輸 [6] EPON 在頻寬的詢問和動態分配是利用 MPCP 內的 GATE 與 REPORT 兩個控 制訊息, 圖 為 EPON 在上傳方向,OLT 必頇為每一個 ONU 分配時槽, 才可 以進行資料傳輸 如果使用靜態 (static) 的方式固定分配, 則有可能會浪費頻寬或 - 9 -

22 是突來的大量需求 (burst traffic) 而產生較長的 delay, 因此需要利用動態的方式分配 (dynamic bandwidth allocation, DBA), 亦即針對不同的服務以及需求, 即時分配適當的頻寬, 有效提高頻寬的使用率, 降低延遲提高生產量等, 來達到服務品質保證 圖 EPON 頻寬詢問的控制訊息交換示意圖 [7] EPON QoS 架構 在規格內制定 EPON 最多可以支援 8 個 Priority Queue 作資料類型的區別 事實上, 並沒有定義太多 QoS 的機制, 一來是簡化協定的複雜度, 在這部分也可以讓廠商自行去開發或是成為研究的議題 雖然 EPON 具備相當大的頻寬, 但針對不同的應用服務仍頇滿足其 QoS 的需求, 因此在研究的領域, 針對頻寬分配的文獻相繼提出 [7], 其中為滿足多元化的應用服務, 可以將傳輸的資料分成三類 [8],

23 第一類 (constant bit rate, CBR): 最高優先權的固定速率資料, 這類型的資料因為必頇保證頻寬 端對端的延遲以及封包抖動率的保證 (jitter), 就像網路電話 (VoIP) 或是視訊會議 (video conference) 等應用服務 第二類 (variable bit rate, VBR): 次級優先權的變動速率資料, 這類型的資料封包大小會變動 不需保證頻寬 對封包的延遲 (delay) 還是有一定的要求, 就像是網路電視 (IPTV) 或是線上視訊 (stream) 第三類 (best effort, BE): 最低優先權的盡力式服務資料, 這類型的資料並沒有任何延遲或是頻寬保證適合用來傳輸網頁 (http) 或 (FTP) 在 [9] 一文中也提到在 ONU 內分成三種佇列 (intra queue) 的資料類型來達到分級服務 (class of service, CoS), 但如此嚴格的分類 (strict priority), 有可能會使的低優先權的資料總是被較高優先權的取代而沒有傳輸的機會, 依據 EPON 詢問頻寬的方式會使的流量輕的時候, 低優先權資料的佇列與延遲時間拉長 (light-load-penalty), 但本文不針對此議題討論 在 [10] 一文中亦提出資料分類架構, 並且利用 MPCP 內的 REPORT 訊息一次可夾帶多個佇列訊息 (queue status) 以及 GATE 訊息一次可夾帶多個時槽的特性來詢問頻寬, 針對不同的資料類型保證其服務品質 除了討論 ONU 佇列內部的資料分類排程 (intra scheduling), 另一部分討論的重點在於 OLT 與 ONU 間資料的排程 (inter scheduling), 亦即討論 OLT 與各個 ONUs 間的分配方式, 圖 在[11] 一文中作者提出 IPACT(interleaved polling with adaptive cycle time), 讓 OLT 在詢問頻寬時能提前分配頻寬, 提高使用率並且降低排程等待時間 (idle time) [12] 作者提出 BGP(bandwidth guaranteed polling), 利

24 用頻寬需求 延遲 等 SLA(Service Level Agreement) 參數, 建表 (entry table) 來分 配頻寬 在 [13] 一文中, 作者更針對 EPON 提出階層式的分配頻寬, 其主要方法 是結合 inter scheduling 和 intra scheduling 這兩部分, 有效達到更佳的 QoS 效果 圖 Intra-ONU and inter-onu scheduling [9]

25 2.2 IEEE 都會型無線網路 -- 基本介紹 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), 規格編號是 於 2001 年十月份由 IEEE 制定, 其內容主要針對固定式無線網路以 LOS(Line-Of-Sight) 的方式作無線傳輸, 代表著從使用者端到基地台端之間不可有障礙物否則就無法傳輸 但是這樣的規格並無法滿足使用者隨時隨地上網的需求, 因此在 2005 年十二月修訂原本的版本, 訂定出主要應用於可移動式且屬於 NLOS 的 IEEE e 無線網路規格 在這之間包含許多改變的項目, 其中包括從 OFDM 為主的調變技術改為更有效率但更複雜的 OFDMA 調變技術, 還有 QoS 上對於參數 性質和應用上的修正 IEEE 資料鏈結層 IEEE 的 MAC 層支援點對多點 (Point-to-MultiPoint,PMP) 的無線存取 方式, 資料可透過上行 (Uplink,UL) 和下行 (Downlink,DL) 通道進行傳輸, 提供分時 多工 (TDD) 如圖 及分頻多工 (FDD) 二種可供選擇 圖 TDD frame structure [14]

26 圖 協定分層架構圖 [14] IEEE 都會型無線網路技術核心在於 MAC 層及 PHY 層的相互溝通, 圖 是 協定分層架構圖, 主要是由 MAC 層三個子層和 PHY 層組成, 說明如下 : Service-Specific Convergence Sublayer (CS) CS 為 MAC 子層裡最上層, 透過 CS 服務存取點 (Service Access Point, SAP) 接收外部網路的資料, 負責接收上一層的 PDU, 並將 MSDU 對應關連至一組 16bits 的 Connection Identifier(CID) 和 32bits 的 Service Flow ID(SFID) 再傳送至下層 ( 即為 CPS) 如圖 錯誤! 找不到參照來源 示, 而 PHS(Payload Header suppression) 提供資料標頭壓縮則是非必要選項

27 Common Part Sublayer(CPS) CPS 為 MAC 層的核心, 提供媒體存取控制 頻寬要求及分配 連線的建立及維持等服務 除此之外, 本文最重要的服務品質保證也為此層所負責 Security Sublayer 負責提供用戶端的認證 金鑰管理以及資料的加解密演算法 PHY layer 提供 SC SCa OFDM OFDMA 這幾種調變技術 在 IEEE 主要使用 OFDM, 而在 IEEE 則已 OFDMA 為主 可採用的載波頻寛介於 1.25 MHz 至 20 MHz 之間 圖 SDU 分類媒合至適當的 CID( 從 BS 到 SS) [14] 在 IEEE 裡所提及的 MAC PDU(Protocol Data Unit) 也可稱為 MAC Frame 接下來將討論 frame 的各項細節, 以及在 IEEE MAC 層上作有 效率傳輸所訂定的機制

28 圖 MAC PDU format [14] 如圖 所可得知 MAC PDU 格式包含三部分, 起始為一固定長度 48bits 的 MAC 層標頭 (MAC header),mac header 可能為用於下載的 Generic MAC Header 或是利用於上傳的 Bandwidth request header, 緊接在標頭後的是可變動長度的 Payload( 若為 Bandwidth Request Header 則無 payload), 在 MAC Frame 最後為 CRC 檢查碼提供 MAC header 和 payload 的保護, 是屬於非必要選項 一個 SS 可能同時有很多條不同的連線, 每條連線都有自己的 CID, 在要求頻寬時, 每條連線用自己的 CID 提出 BR, 而 BS 在分配頻寬時, 會統整一個 SS 所有連線的頻寬請求, 再以 SS 為單位分配頻寬 SS 要傳送資料前, 必頇提出頻寬要求,BS 收到這些頻寬要求時, 會將頻寬分配 以及每個 SS 可以送出資料的時間整理在 UL-MAP 裡,SS 根據 UL-MAP 的內容, 就知道什麼時候該送資料 可用的頻寬為多少 BR(bandwidth request) 有 incremental 和 aggregate 兩種形式, 當 BS 收到 incremental 形式的 BR, 會將 SS 此次要求的頻寬加在原本已知的需求頻寬上, 而收到 aggregate 形式的 BR 時, BS 會把 SS 的頻寬需求更新成此 BR 提出的頻寬需求 傳送 BR 的方式, 大致有下列幾種 : 1. Piggyback: 將頻寬要求的訊息夾帶在傳送資料的封包上 2. Contention-free bandwidth requests: 不需要參與競爭的頻寬請求方式, 例如 : unicast polling 3. Contention-based bandwidth requests: 此種方式在要求頻寬前, 必頇先競爭取得送出 BR 機會, 例如 :Broadcast Polling 及 Multicast Polling

29 2.2.2 IEEE 實體層 本節將討論 IEEE 運用在實體層的相關技術 在 IEEE 規格裡可使用 SC SCa OFDM OFDMA 這些調變技術, 對於 SC 而言為針對時間作切割, 各使用者輪流在每一單位時間用單一載波的方式傳送資料 OFDM 運作原理是將所有子載波分割成若干群組, 稱為子通道 (subchannel), 同一單位時間分配給同一使用者作傳送, 支援 256FFT 個數, 主要應用於固定式存取的環境 ( 例如 IEEE ) OFDMA 與 OFDM 不同的是 OFDMA 可以將子通道分配給不同使用者, 且可支援 FFT 個數, 圖 可看出 SC OFDM OFDMA 最主要的差別 圖 PHY 層 SC OFDM OFDMA 調變技術最後再根據使用者環境, 藉由子載波配置 subcarrier allocation 與適應性調變和編碼 (Adaptive Modulation and Coding,AMC) 技術 ( 圖 2.2-5), 可讓 OFDMA 調變技術之實體層方便在通道變化較大的移動環境中, 正確且穩定地傳送資料

30 圖 適應性調變和編碼技術 [14] 以時間軸來看,OFDM 最小的單位是 symbol, 每個 symbol 是由 192 根 subcarrier[1] 所組成, 如圖 Data subcarrier 是傳送資料用, 而 pilot subcarrier 則用於估測目的, 其他不傳送資料的 subcarrier, 例如 DC subcarrier Guard band, 統稱為 null subcarrier 圖 subcarrier 種類 [1] 為了降低多通道路徑的影響, 會在 symbol 之前加入 guard interval, 將訊號傳送端的 data symbol 的最後一部分複製一份, 附加在 data symbol 的前面, 接收端在做完訊號的同步之後將 CP(cyclic prefix) 捨去

31 圖 OFDMA symbol time 架構 [14] 圖 中 T s 為 symbol time,t g 為 guard interval,t b 則為真正所傳輸資料的單位時間 CP 值大小有 1/4 1/8 1/16 1/32, 數字越小代表通道狀況越好, 代表可以複製較少的 data symbol 以減少負擔 ; 而通道狀況較差時,CP 所複製的時間必頇夠長才能預測系統的多重路徑延遲, 但 CP 越長負擔也會相對增加, 因此我們必頇參考通道狀況來適當控制 CP 值以達到最有效率的資料傳輸量 表 d 適應性調變和編碼系統相關訊息 [16] 錯誤! 找不到參照來源 表 可得知在 d 網路下, 根據使用者通道狀況而使用適應性調變和編碼得知每個 symbol 能傳送的 bits 數 其中以 64QAM 3/4 調變在 1 個 symbol 上可傳送 4.5bits 為最高, 而 BPSK 1/2 調變 1 個 symbol 只能傳 0.5 bits 為最差的傳輸量

32 2.2.3 IEEE QoS 架構 為了讓許多用戶共用一個實體通道,MAC 層必頇要能有效地分配頻寛以配 合各種服務品質的需求, 因此在 規格裡定義四種 QoS 服務類型為了能在 WiMAX 上有效提供多元服務 Unsolicited grant service (UGS): UGS 用於傳輸長度 傳送週期固定的即時性資料, 基地台會週期性地為連線提供頻寬, 該連線不需要再對基地台提出頻寛請求 這對用戶端而言可節省不少頻寬要求的負擔 UGS 提供 throughput latency jitter 上的要求保證, 支援 CBR(Constant bit rate) 特性的服務, 如提供 E1/T1 或不具無聲壓縮的 VoIP 服務 Real-Time Polling Service (rtps): rtps 服務類型用於支援長度不固定, 但傳送週期固定的即時性資料 基地台會為 rtps 的連線提供週期性的 unicast 頻寛請求機會, 因此使用 rtps 的連線並不支援競爭模式和 Piggyback 的方式去請求頻寛 rtps 服務類型需提供 throughput 和 latency 的保證, 相較於 UGS 之下,rtPS 對於其 latency 的要求較不嚴格 通常用於 MPEG video 與 video streaming 方面的傳輸, 其傳送的封包若超過最大延遲時間則會被丟棄, 若丟棄過多的封包會導致影像不良甚至斷線 Non-Real-Time Polling Service (nrtps): nrtps 用於支援不固定長度但可以容忍延遲的資料, 不過必頇滿足使用者提出最小傳輸速率的資料傳送服務 基地台對於 nrtps 的連線提供週期性的資料傳輸詢問, 同時 nrtps 的連線也可以允許使用競爭方式發送頻寛請求 此類型適合

33 用於資料傳送服務, 例如 FTP(File Transfer Protocol) 服務 Best effort Service(BE): BE 屬於最低的品質效能, 為最小服務等級需求的服務品質, 在 throughput 和 latency 上並未提供任何的保證 使用剩餘的頻寬做傳送, 通常用於 HTTP(Hypertext Transport Protocol) 等應用上 ertps(extended Real-Time Polling Service) : ertps 服務類型新增於 e 的規格內, 具備了 UGS 和 rtps 兩種服務類型的優點, 差別在於 SS/MS 可以主動送出的頻寬更改請求, 可以更有效的節省頻寬 此類型適合用於語音傳送服務, 例如 VOIP (with silence suppression) 服務 表 各種 QoS 服務類型參數 為針對 IEEE e 網路所提供的各種 QoS 服務類型參數表和其應用內容 要如何作到上述五種 QoS 服務類型的分配要求, 在規格中並無明確定義如何設計, 一切都由各家廠商自行設計, 這使得在 WiMAX 上對於 QoS 排程設計的研究更具

34 彈性和多元 2.3 整合 EPON 與 WiMAX 在參考文獻 [17] 中提出四種整合 EPON/WiMAX 網路的架構, 分別是 independent architecture hybrid architecture unified connection-oriented architecture 和 microwave-over-fiber architecture, 以下將介紹這四種架構 A. Independent architecture 在整合 Independent architecture,epon 與 WiMAX 兩個網路系統分別獨立開來如圖 2.3.1,WiMAX 的基地台就像是 EPON 內 ONU 下的使用者 這種架構的整合方式優點在於架構相當簡單, 只需要利用通用的傳輸介面相連接 (e.g., Ethernet), 並且不需要改變現有的任一方的網路協定, 因此他們彼此缺少足夠的流量需求的資訊, 在資料排程以及頻寬的分配只能各自運行, 就這角度來看, 並無法達到完整且有效率的服務品質保證 圖 Independent architecture

35 B. Hybrid architecture 在整合 Hybrid architecture,epon 與 WiMAX 兩個網路系統整合成為一個元件, 稱為 ONU-BS, 如圖 在 ONU-BS 元件內, 包含了兩種網路傳輸過程所需的協定以及資訊 然而, 這將可以讓頻寬分配比第一種獨立的架構更有效率, 因為在 ONU-BS 模組內具備了足夠的資訊, 能處理兩種網路控制訊息 (control plane) 的交換和協調資料封包之間的傳輸 (data plane) 因此, 對映 (mapping) 這兩種網路間的 QoS 模組是此架構的整合的重點 圖 Hybrid architecture C. Unified connection-oriented architecture 基本上 WiMAX 是連線導向 (connection orient) 的網路技術, 每一個 Service Flow 會分配一個 CID, 每個 SS 下會有不同頻寬請求和 QoS 參數所建立的 CID, 基地台會根據這些頻寬請求分配給每個 SS, 這樣的分配方式 (Local resource,

36 Global schedule) 與 EPON 類似, 但 EPON 只有 8 個 Priority Queue 並非連線導向 在整合 unified connection-oriented architecture, 跟第二種 Hybrid architecture 類似, 主要差別在於, 它將 EPON 的乙太訊框換成 的訊框 (WiMAX MAC PDUs), 讓連線導向的概念也可以延伸至 EPON 端 這樣的好處在於可以提供更好的 QoS 機制, 也可以使得頻寬請求等控制訊息一致 D. Microwave-over-fiber architecture 在整合 microwave-over-fiber architecture, 是將 WiMAX 的 BS 整合到 OLT 中, 如圖 而網路的終端是由 ONU 和轉傳天線 (dumb antenna) 所組成 WiMAX 和光訊號會行程多工傳輸, 並且組成一特定的光波長然後上傳到後端 (central node) 這樣的整合方式者要好處在於簡化移動使用者的換手, 此外光子載波 (optical subcarrier) 與無線子載波 (radio subcarrier) 具有密切的關係, 若能有效的對這兩種子載波進行分配, 對於資源的分配更能更具彈性和效率 然而後端元件卻有可能要處理底下大量的 SSs 所產生的流量而形成瓶頸 (bottleneck), 對於干擾 (crosstalk) 或是實體層的整合技術仍是未來能討論的技術 圖 Microwave-over-fiber architecture

37 在參考文獻 [18] 中也提出了一種稱為 Virtual ONU-BS (VOB) 的整合架構, 在 不改變兩種網路協定的前提下來整合兩種網路, 提出了有效動態頻寬分配的機 制 圖 Virtual ONU-BS 在文獻中所提出的頻寬分配演算法分成兩個階段, 第一個階段先由 OLT 根 據底下每個 ONU 所提出的頻寬要求進行分配 (station fairness), 公式 (2.1) 表示每 個 ONU 設定一上限的頻寬請求大小 B avg VOB, 若某些 ONU 頻寬請求小於上限值, 則多餘的頻寬 B i excess 可讓其他使用者使用 ; 第二階段由 ONU 根據資料類型優先 權分配給底下的 BS (CoS fairness), 為了不改變兩種網路的溝通協定,WE-Bridge 會蒐集並處理兩種網路的控制訊息, 如圖 所提出的機制 (WE-DBA) 在整合 的網路上有效益的達到端對端的 QoS 傳輸, 包含單位生產量 提供不同服務的平 均延遲時間以及頻寬使用率等等 B g i = min(b avg VOB + B excess i, B req i ) 公式 (2.1)

38 第三章動態頻寬分配演算法 在參考文獻 [17] 中, 只有提出如何整合兩種網路的四個架構, 並沒有針對任 何一個架構提出演算法 在這個章節內, 將會引用 Hybrid Architecture, 設計出一 套動態頻寬的分配演算法 3.1 系統架構介紹 在圖 中, 在 ONU-BS 內, 整合 EPON 的 ONU 與 WiMAX 的 BS 成為一個元件圖 由於該整合架構的好處可以得到兩個網路間的頻寬需求 通道狀況以及佇列狀況三種主要資訊 根據以上這些資訊, 將會針對不同型態的資料, 設計出動態頻寬演算法 圖 Hybrid architecture[17]

39 Frame Frame 802.3ah WiMAX domain frame structure EPON domain frame structure τ The maximum Frame capacity NRT-min Minimum Reserved Rate of nrtps service class nrtps remainder nrtps BW-Request - nrtps min-rate (subtract) φ i VBR t n Priority phi of VBR BW-Request at (t) The arrears times of bandwidth grant R i s The Queuing size of SS statistics by Virtual Queue VBR avg φ i rtps t The average rate of m VBR transmission frame Priority phi of rtps BW-Request at (t) α Adjustable Parameters (0.5, 1, 3) ρ i t The coding carrier bit of symbol ρ n The best coding carrier bit of symbol (static) rtps i avg NRT min φ i φ i t nrtps i avg The average rate of m rtps transmission frame Priority phi of nrtps min-rate BW-Request at (t) Priority phi of nrtps and BE BW-Request at (t) The average rate of m nrtps min-rate transmission frame 表 Notation Table

40 3.2 整合流程圖 整合的流程圖 將分成幾個部份來說明,A. 頻寬請求 B. 資料分類匯集 C. 頻寬分配 圖 EPON/WiMAX 整合運作流程 A. 頻寬請求 (bandwidth request) 一開始從 SS (WiMAX Domain) 所產生的頻寬請求, 在本文的探討會有四種流量, 分別是 UGS rtps nrtps 和 BE 此外,WiMAX 會將目前通道狀況一併傳送給 ONU-BS 根據通道品質的好壞,PHY 層在傳送資料時, 所採用的調變 (modulation) 也會有所不同, 而 frame 所能載送 bit 也會跟著改變

41 B. 資料分類匯集 (aggregation and mapping) ONU-BS 內會有三種佇列 [8], 分別是 CBR(constant bit rate) VBR(variable bit rate) 和 BE(best effort), 根據資料型態的應用做分類 因此 SSs 底下各種資料的請求會送至 ONU-BS, 並先開始進行頻寬請求的資料分類圖 其中 nrtps 服務類型的請求會分成兩個部分, 表 其中 minimum reserve rate 會提高優先權在 VBR 中, 目的是為了滿足 nrtps 中保證平均傳輸速率的 QoS 參數, 最後會把三種資料類型的頻寬請求經由 MPCP 的 Report 訊息傳送至 OLT 流程圖 3.2.3, 其中為避免 SS 所提出的頻寬請求過大, 導致 frame 無法承載, 所以在匯集請求時需要有一個頻寬刪減的機制, 當所要求的頻寬大於一個 frame 所能容納的最大假設值 τ 則會依照服務類型的優先權 (BE nrtps remainder NRT-min rtps) 進行頻寬請求的刪減, 讓後端 OLT 在進行頻寬分配時不會浪費時槽 (time slot) 而更有效率 C. 頻寬分配 (bandwidth grant) 頻寬分配分成兩個階段, 目的在於保留兩種網路協定特性, 並且簡化控制訊息的處理負荷, 由於整合後的覆蓋範圍以及所需處理的使用單位數量將會相當多, 有可能會造成 OLT 易形成瓶頸節點 (bottleneck node) 或是控制訊號傳輸延遲, 這有可能會使的整合後的網路無法掌握隨時在變動的無線通道環境 1. OLT [ONU-BS], 即 OLT 會先分配給底下的 [ONU-BS] 所匯集的頻寬請求 2. [ONU-BS] SSs, 即當該 [ONU-BS] 得到 OLT 所分配的頻寬時, 會依據該頻寬分配給底下的 SSs 完成這兩階段頻寬分配後, 即可做成 UL-MAP 讓資料開始傳輸, 然而這兩階段的分配演算法將會是本文的重點, 並在演算法內會引用虛擬佇列 (virtual queue) 的概念 [19] 來統計 SS 端的佇列狀態, 這是由於 Downlink 可以獲得 queue 的狀態

42 資訊,Uplink 則否, 所以無法得知是否有封包即將被丟棄, 或是已經被丟棄因此 不需要先前所提出的這麼多頻寬要求 下個小節將會介紹設計出的動態頻寬分配 演算法 圖 頻寬請求與資料匯集流程圖

43 3.3 OLT [ONU-BS] 頻寬分配演算法 圖 OLT [ONU-BS] 頻寬分配流程 第一階段的頻寬分配演算法是由 OLT 作計算, 也就是在 EPON Domain 進行分配 流程如圖 3.2.3, 如先前所提,OLT 會收到每個 [ONU-BS] 三種資料服務類型的頻寬請求, 因此演算法會針對這三種服務類型作分配 其中 CBR 的服務類型請求由於具有最高優先權且該類型的資料又必頇無條件滿足, 因此會最先分配給提出該 CBR 請求的 [ONU-BS], 分配的順序是以 Round robin 方式排程 第二優先權為 VBR 服務類型的請求, 由於該服務類型封包具可變動性及即時性, 針對這兩個特性設計出 φ i-vbr (t), 以作為分配頻寬的優先權順序, 公式 (3.1) 分母為該 ONU-BS, 前 m 個 frame 間平均傳輸的 VBR

44 資料 : 分子包含了兩個參數, 當該次週期 (cycle) 的 VBR 頻寬請求沒有被分配到, 則 n 會累積遞增一直到得到頻寬才會歸零,R s 越大代表 Virtual Queue 所記錄的佇列越長, 兩分子參數的增加直接放大 φ i 值提高 OLT 在分配頻寬時的優先順序, 如圖 3.2.4, 此設計目的在於讓資料即時送出並避免某個平均傳輸率高的 ONU-BS 一直使用網路 (avoid starvation), 達到公平性 φ i VBR t = nr i s VBR avg 公式 (3.1) 當 CBR 與 VBR 的服務請求都已分配完時, 若有剩餘頻寬則 RR(round robin) 分配給 BE 服務類型的請求

45 3.4 [ONU-BS] SS 頻寬分配演算法 第二階段流程圖 是針對 進行頻寬的分配 由於 為無線媒介, 無線網路不像有線網路通常只需要考慮到瞬時流量大小和佇列狀態 無線網路因為受通道狀況影響會導致多重路徑的訊號衰減和都卜勒效應, 在設計頻寬資源分配時必頇將通道狀況 (channel condition) 列入考慮 [20][21] 另一部分, 在 IEEE 網路上提供 QoS 目的為針對不一樣的服務類型, 提供使用者需求的延遲時間和平均傳輸速率上的滿足, 因此會針對滿足 QoS 的參數和通道狀況兩個部分來進行討論 圖 OLT [ONU-BS] 頻寬分配流程

46 整合兩個網路後的覆蓋規模 (coverage scale) 將會相當大, 可以容納多個 SS,OLT 將會處理大量控制訊息, 因此在分配的演算法會以 SS 為單位做設計, 以下小節將會介紹各種服務類型在得到該 Grant 頻寬大小後, 分配頻寬優先權計算 rtps 分配優先權計算 IEEE 規內定義 rtps 為提供即時影音需求之服務類型, 因此在分配有提出這類型服務的 SS, 考慮的是傳輸延遲時間必頇滿足使用者需求, 在公式 (3.2), 主要可以分成兩個部分 第一部分為 α{ρ i t /ρ n }, 其中 R n 為一常數, 代表最高調變情況下 1 個 symbol 可傳送位元數 ;R i t 則為該時間 (t) 的某一個 SS(i) 所使用的調變能承載的位元數, 由計算後可得知當 ρ i t 越大時 ρ i t /ρ n 越接近 1 則優先權越大, ρ i t /ρ n [0, 1] 第二部分為 nr s i / rtps i avg, 在此引用 Virtual Queue 概念, 記錄在 SS 端佇列內的資料大小, 若在一個週期未能得到足夠的傳輸頻寬則 n 會累積遞增, 直到得到頻寬後才會歸零 (n=0), 讓佇列越久 傳輸平均率越低的 SS 的到較高的優先權值 此設計目的在於讓盡量滿足每個 SS 資料傳輸的即時性, 並達到公平性 由於兩部分的參數將會產生不同的影響, 因此在式子內設定一可調參數 α(say. 0.5, 1, 3), 來觀察在不同占用比例下所產生的不同結果 φ i rtps t = α ρ i t ρ n + nr i s rtps i avg, if ρ n 0 公式 (3.1)

47 3.4.2 nrtps-min 分配優先權計算 在 IEEE 規內定義 nrtps 服務類型, 最為重要的參考指標是最小傳輸速率, 在計算優先權時並未有最大延遲時間限制的考量 在公式 (3.3) 亦分成兩部分, 分別是通道狀況和平均傳輸率, 通常 nrtps i min 為一常數, 當該 QoS 參數所要求的值越高, 則優先權越高, 而分母的平均傳輸率是指過去 n 個 frame 資料 nrtps i min 的平均傳輸速率 此設計目的在於讓盡量滿足每個 SS 所提出頻寬的請求, 達到公平性 由於兩部分的參數將會產生不同的影響, 因此在式子內設定一可調參數 α(say. 0.5, 1, 3), 來觀察在不同占用比例下所產生的不同結果 φ i NRT min (t) = α ρ i t ρ n + NRT i min nrtps i avg, if ρ n 0, nrtps i min 0 公式 (3.3) nrtps 和 BE 分配優先權計算 在 IEEE 規內定義 BE 服務類型, 並未提供最大延遲時間和最小傳輸速率的保證, 且 nrtps 服務類型的 QoS 參數也已提高優先權處理, 故在 BE 與 nrtps 服務類型的計算優先權公式裡只依通道狀況所決定的調變來計算優先順序如公式 (3.4) φ i t = ρ i t ρ n 公式 (3.4) 當所有 SS 的優先權都計算完畢後產生優先權列表, 然後將分配好的頻寬 製作成 ULMAP 給該 SS 進行傳輸

48 第四章模擬與結果分析 本章節將模擬出動態頻寬分配在整合式網路上的效能參數, 所使用的模擬工 具為 C 模擬環境介紹 表 Parameters used to set up simulation environment Parameters Values OLT number 1 [ONU-BS] number 32 SS number 32, 64, 96, 128, 160, 192, 224 EPON transmission rate EPON cycle duration 1G bit/per second 2 ms channel bandwidth 20MHz cycle duration 5ms transmission system TDD frame UL/DL ratio 1:1 Queue Size Infinite Propagation model COST 231 Simulation time Symbol Duration frame cycle 12.6us

49 本模擬環境乃是架構於 d-OFDM, 每個 [ONU-BS] 下會有 1 到 7 個呈現 uniform 增加, 其他詳細參數如表 4.1 接著介紹本文所採用的流量模型 [22],UGS 固定在每個 frame 提出頻寬請求, 並且假設必頇滿足該請求,rtPS 封包大小 (Pareto distribution) 是 50bytes, 封包到達的時間 (Pareto distribution) 為 6ms, 後文在描述此模型時是以條為單位, 每個 CID 所代表的連線會由多條相同 QoS 要求所整合,nrtPS 與 BE 流量則是使用上傳的 FTP 模型, 圖 其中在本文所討論的 nrtps minimum reserved rate 設定的大小為 nrtps 流量 mean 值的 1/3 與 2/3 表 各種服務類型平均流量 UGS rtps nrtps BE Average 2Mbps Average 66.6*25 Average 1.8 Mbps Average 1.8 Mbps 圖 UL FTP traffic model

50 Thoughtput (OLT-[ONU-BS]) Mbps 4.2 模擬結果分析 Proposed-DBA 與 WE-DBA [18] 的差異與特性 Total, Proposed Total, WE-DBA CBR, Proposed CBR, WE-DBA VBR, Proposed VBR, WE-DBA BE, Proposed BE, WE-DBA SS number 圖 OLT-[ONU-BS] Throughput a. 針對兩種方法的單位生產量 (throughput) 討論 : 圖 4.2.1,Total 數值觀察出當 SS 數量到達 160 個時會達到飽和, 由於所提出方法在分配頻寬的優先權時會考量通道狀況較佳的使用者, 讓訊框能承載更多資料, 可以觀察出約 64 SS 數量後就會產生明顯影響, 因此整體來看能達到較高的 throughput 另外可以注意到 VBR-Purpose 在達到 192 個 SS 數量時, 即會受到其他流量的影響而趨緩, 以利於分析與比較 b. 針對兩種方法的公平性 (fairness) 討論 : 當 OLT 分配頻寬時, 如前文述, 所提出的方法會依優先權分配三種服務類型的頻寬給 ONU-BS 本文對於公平性的定義為, 必頇先滿足高優先權的

51 Thoughtput ([ONU-BS]-SS) Mbps 服務類型資料 (class of service, CoS), 應該讓具有即時性或必頇保留頻寬的服務先行傳輸, 因此可觀察出在負載重時,VBR 的流量明顯持續上升,BE 的流量相對會明顯下降 而 WE-DBA 對於公平性的定義為,Station fairness, 以使用者角度來看待, 因此 OLT 只分配一個總量頻寬讓下面的單位自行分配, 到達飽和程度時, 會保持在同一個間距 SS number UGS, Proposed UGS, WE-DBA rtps, Proposed rtps, WE-DBA nrtps, Proposed nrtps, WE-DBA best effort, Proposed best effort, WE-DBA 圖 [ONU-BS]-SS 的 Throughput 比較 圖 為 SS 到 ONU-BS 所產生的 throughput,ss 數量 4 個到達飽和 首先, 由於圖 [4.2.1] 內的 BE 包含了剩餘的 nrtps 與 best effort 的流量, 且在 SS 數量達 192 個之後就分配不到頻寬, 但圖 可觀察 nrtps, Proposed 出保留了 NRT-min 該 QoS 參數的頻寬, 這是由於本文將 NRT-min 提高分配優先權 再者,WE-DBA 在達到飽和的時候, 可較明顯觀察出, 各個流量並不會持平, 而是互相抵消, 原因在於上張圖說明中所提到的 OLT 分配的方式所帶來與本方法的差異性

52 Percent % percent % UGS rtps NRT-min=1.2 Mbps NRT-min=0.6 Mbps NRT-remainder best effort SS numbers 圖 Proposed 頻寬請求滿足率 UGS rtps nrtps best effort SS number 圖 WE-DBA 頻寬請求滿足率

53 圖 為頻寬滿足率, 計算方式為 (Successful Grant times / Total bandwidth request times) 亦可以觀察出不同服務類型獲得頻寬傳送機會的分佈 a. 針對 Proposed NRT-min 討論 : 圖 中,NRT-min 分成 1.2 Mbps 與 0.6Mbps, 數值越大代表優先權越高, 滿足率越高, 然而不同 NRT-min 曲線會呈等比例間距, 代表兩者得到頻寬的比率相同, 因為一但使用者得到 Grant 後, 公式 (3.3) 位於分母的平均傳輸率即升高而降低優先權, 有效讓每個使用者都有機會能傳送資料

54 Average Delay (ms) Average dealy (ms) UGS rtps nrtps best effort SS number 圖 Proposed average delay UGS rtps nrtps best effort SS number 圖 WE-DBA average delay

55 Throughput Mbps 圖 圖 4.2.6, 為平均延遲時間, 當流量輕時, 四種服務類型的平均延遲時 間皆差不多, 這是因為在流量未達到飽和時, 資料皆能順利送出而不會有佇列一 直在 SS 端的情況發生, 然而當負載的流量越大, 則平均延遲時間相對增加 Proposed-DBA 影響與特性 由於本文針對不同類型服務提出分配頻寬的計算方法, 因此以下將考量與比 較不同參數所帶來的影響與特性 Total throughput alpha = 0.5 alpha = 1 alpha = 3 alpha = 5 alpha = 9 alpha value 圖 α value 對 throughput 的影響 圖 為不同 alpha 值帶入公式 (3.1) 公式(3.2) 所得到的 throughput,alpha 值越大代表通道狀況考量所佔的比例越重, 值得注意的是當 alpha 大於 3 所得到的值是相近的, 代表通道狀況的參數足以影響整個式子, 所計算出的優先權先後順序就會差不多

56 Throughput ([ONU-BS]-SS) Mbps Throughput Mbps 為表示出考量 Virtual Queue 所帶來的影響, 將公式 (3.1) 公式(3.2) 後面項移除作比較, 等同於優先權計算只考慮通道狀況, 並且設定 distinct alpha 值, 分別是公式 (3.1) 的 alpha=1 與公式 (3.2) 的 alpha=3 進行分析與觀察 圖 的 Total throughput 其中圖 也可明顯看出 rtps 較高的 throughput Proposed Scheme- same alpha Proposed Schemedistinct alpha Channel condition only Scheme 圖 Only channel condition 與 Proposed 的 Total throughput 25 rtps-proposed Scheme- same alpha 20 rtps-proposed Scheme-distinct alpha 15 Channel condition only Scheme SS number 圖 Only channel condition 與 Proposed 的 rtps throughput

57 Average dealy (ms) rtps-proposed-same alpha rtps-proposed-distinct alpha rtps-channel condition only Scheme SS number 圖 α value 對 throughput 的影響 值得深入研究的是在圖 中, 只考慮通道狀況的 rtps Delay 在 5 個 SS 前差不多, 但是可以明顯的觀察到 SS 的個數大於 5 個後,Delay 卻大幅拉高, 差別在於在被移除的 Virtual Queue 項, 主要功能在於可以幫 ONU-BS 統計目前 queue 在 SS 端的資料量, 並且掌握它 Queue 了幾個 cycle 等訊息 thoughput 高與準確讓緊急封包傳送, 後者會有較直接影響, 可分成兩點探討 第一, 從圖 觀察, 約平均只增加 10% 的 throughput, 在 light loading 時對於 Delay 的影響就不大, 在 heavy loading 即便更不明顯 第二, 在 heavy loading 時很容易資料 queue 在 SS 好幾個 cycle 使的平均 Delay 容易拉高 因此所提出的機制能使的 Delay 在 heavy loading 時發揮效果使的平均延遲時間更較平緩 在設定不同 alpha 值的部分, 可觀察出 Total throughput 較相同 alpha 值高, 這是因為 NRT-min 所設的 alpha 較高, 同理, 通道狀況好的使用者優先權會較高, 但在負載重的情況下, 可以觀察到 rtps throughput 是相同的, 這是因為 rtps 的優先權值特性 (R s and n) 會遠高於 NRT-min

58 第五章結論與未來研究 本論文一開始先介紹 與 EPON 兩種接取網路, 之後討論整合機制與 流程, 包含頻寬請求的分類與匯集, 頻寬分配的演算法, 並且針對資料服務類型 優先權與 QoS 參數做討論, 設計出一動態頻寬管理機制 Proposed-DBA: a. 定義出頻寬請求與刪減方式, 資料類型對映與匯集, 頻寬的分配 b. 達到端對端服務類型優先權傳輸 c. 針對通道狀況進行頻寬分配的考量, 有效讓 throughput 提高 d. 針對 NRT-min 進行討論, 依照公平比例讓同服務類型內的使用者都有傳輸機會 e. 在 heavy loading 時, 展現出 Virtual Queue 功能的特性, 有效降低 rtps 服務類型的延遲時間 Future Work: a. 討論 移動式節點, 由於目前環境為固定式, 不需考慮換手後的頻寬分配及更詳細的通道狀況考量 b. 討論兩個 domain 的訊框同步問題, 因為兩個訊框長度不一, 可能會造成傳輸封包或控制訊號遺失等問題 c. 討論分配頻寬時可否讓 SS 資料直接 Queue 於 ONU-BS d. 針對 alpha 值, 能討論與取捨出更多的差異與特性, 藉以達到最佳化 e. 討論 Frame 上 slot 分配最佳化

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