TW200929951A

TW200929951A - Data transmission method and communication method using the method

Info

Publication number: TW200929951A
Application number: TW096148460A
Authority: TW
Inventors: Ya-Ling Hsu; Chi-Shiu Chen; Yu-Kai Huang; Tzu-Jane Tsai; Ai-Chun Pang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-07-01
Also published as: US20090154393A1; US8027331B2; TWI362890B

Description

25333twf.doc/n 200929951 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明是有關於一種資料傳輸方法與通訊系統。【先前技術】 IEEE所提出的802.11之無線網路技術由於安裝簡便、使用不需執照的頻帶，加上WiFi聯盟的大力推展，成功的佔據了無線網路市場。但依據原有802.11標準之制定，所有的 8〇2.11 STA(存取站台）（legaCy 80Z11 station) 共享同一媒介（Medium) ’並且平均競爭此媒介’無法根據封包本身不同的服務品質需求而給予具備優先權的競爭機會，因此IEEE在1999年成立802.11e小組，新制定了兩套存取(Access)媒介的機制：增強分散式通道存取 (Enhanced Distributed Channel Access，底下稱為 EDCA)機制及混合式協調功能(Hybrid Coordination Function，“HCF”) 控制頻道存取(Controlled Channel Access)機制(底下稱為 HCCA) ’這兩套機制都向下相容(backward compatible)於傳統的802.11媒介存取控制機制，例如分散式協調功能 (Distribute Coordination Function，底下簡稱 DCF)與集中式協調功能(Point Coordination Function，底下簡稱 PCF)。請參照圖卜主要是說明EDCA機制與HCCA機制，與傳統的802.11媒介存取控制機制dCF與pCF的架構示意圖。在此架構100中，包括分散式協調功能(DCF)、集中式協調功能(PCF)、用以作為HCF競爭存取的增強分散式通道存取(EDCA)機制、HCF控制頻道存取(HCCA)、與 5 200929951 25333twf.doc/n 混合式協調功能(HCF) ’都是在媒介操取控制（Medium Access Control，MAC)層的延伸範圍内。 DCF的缺點是會產生閒置時間（idlingtime)與多個工作站間的對無線媒介競爭（contention)程度增加而降低。而PCF的缺點是輪詢(Polling)方式明顯缺乏效率，尚有許多改善的空間。802.11e藉由上述的機制可以提供在媒介擷取控制（MAC)層對無線網路提供更好的服務品質 (Quality of Service，底下簡稱 Q〇S)。 IEEE 802.1 le將IEEE 802.11標準的MAC封包格式作了些許的改變，在MAC封包標頭中增加了一個23”仿的 TCID (Traffic Category Identifier)攔位，在 TCID 的最後二個位元用以表不此封包是屬於那個等級的工作站所傳送的。三個位元共可區分出八個等級。上述的EDCA機制是一種給每項傳輸數據都設定優先專級，而優先等級尚的數據可以優先發送的機制。優先等級與載波偵測（Carrier Sense)時間、補償時間、巾貞發送時間的參數有關。最優先的是語音數據，其次是影像:如果數據傳輸失敗的話’就視為終端增多，進一步延長補償時間。而HCCA機制是由被稱為混合式協調的程式^分配優先權。各終端要事先將數據的類型及所需頻寬、時間長度等資訊通知混合式協調程式。以這些内容為基礎]混合式協調程式將發送權等分配給終端或向所有終端進 (Polling)。圖2為EDCA參數集之預設值，其中Ac BE為最佳 6 200929951 25333twf.doc/n 效月b(較優先）、AC_BK為背景執行(低優先）、ac vi為影像(最優先）、與AC_VO為聲音(最優先）。另外，CWmin 為競爭窗口最小值，而CWmax為競爭窗口最大值，而 AIFSN為碰撞彳貞測訊號。此參數會影響存取類別的延遲時間’右使用的服務為§#音或影像’在AC VI與AC VO的 "又疋中此參數的數值需要越小越好，若為E_mail或網頁服務，在AC—BE與ACJBK中的數值則需要設定為較高。 ❹ 傳統802·11的DCF存取參數如下：CWmin值為 aCWmin(31)、CWmax 值為 aCWmax(l〇23)、DIFS 對應到 AIFSN 為 2 之仲裁訊框間間隔（Arbitration Inter-frame

Space)。經由比較可以發現DCF存取媒介的優先權由數據上來看應該是介於AC_BE與AC_VI之間，但由於802.11e 與802.11在Backoff倒數機制設計上的不同，根據參考文獻 G.. Bianchi，I. Tinnirello, and L. Scalia，” Understanding 802.1 le contention-based prioritization mechanisms and their coexistence with legacy 802.11 stations,5, in Network, ® IEEE Volume 19, Issue 4, July-Aug. 2005 Page(s):28 - 34 的實驗結果顯示，DCF存取媒介的優先權基本上是對應到 AC_BE ’如圖3所示。圖3的橫轴為網路中同時存在的 8〇2.11 STA(存取站台）及8〇2.lle QSTA(具有OoS的存取站台）個數’縱軸為其所達到的吞吐量，CWmin值皆設為 31 ’ CWmax值皆設為1023。從此圖中可以發現即使將所有EDCA QSTA的競爭視窗(Contention Window)都放大到與DCF相同，經由AIFSN之設定，802.11e QSTA在媒介 7 200929951 25333twf.doc/n 的競爭上依然具有較高的優先權。由圖2我們得知AC—V〇及AC—VI之AIFSN預設值為2觀察圖3中AIFSN為2時，比較EDCA與DCF之吞，可以發現8〇2.11e QSTA佔據媒介成功傳送的機率遠高於802·η STA，並且當站台數目越來越多，edca 爭奪媒介之優勢也以倍數成長，使得DCF整體STA所能達到的吞吐量越來越少。 ⑩ 如果802.U STA傳送的封包本身即為Best effort traffic ’這樣的服務區分或許可以接受；但若今天術.^ STA亦欲進行具有較高優先權的聲音或影像之封包傳輸時，由於DCF的MAC不支援不同類別的存取參數，所有封包將被一視同仁地以約等同於Best eff0rt類別之存取參數集來肌等媒介以取得傳送權，這將造成802.11 STA中具有高度服務品質要求之封包受到不公平之對待，因為 802.11 STA本身之高優先權封包無法成功取得媒介傳送，因此與其進行即時傳輸的相對應的站台，即使為具有 © 服務品質考量802.1 leQSTA，也會被此現象所連累，無法達到應該有的服務品質。在論文方面，上述參考文獻以模擬實驗來分析EDCA 對於服務區別(service differentiation)的成效，並指出為達到更好的區別成效，仲裁幀間間隔AIFS時間的調整明顯優於競爭視窗CW(Contention Window)的調校，同時實驗結果指出傳統802.11 STA的行為大致上是與8〇211e QSTA的Best Effort該類別之傳輸相似，也反應了在共存 8 25333twf.doc/n 200929951 環境下，傳統802.11 STA與802.11eQSTA高優先權的前兩類traffic於競爭媒介上的極大劣勢。在其他文獻中，Yang Xiao, “Performance Analysis of Priority Schemes for IEEE 802.11 and 802.1 le Wireless LANs，” in Wireless Communications，IEEE Transactions on Volume 4, Issue 4, July 2005 Page(s): 1506 - 1515 當中，作者提出了適用於EDCA的分析模型，並指出EDCA的吞吐量(throughput)效能及服務品質表現（包含延遲及封包遺失率)與其參數之設定有極密切的關係。文獻 J. del Prado Pavon，S.N. Shankar，“Impact of frame size, number of stations and mobility on the throughput performance of IEEE 802. lie/5 in Wireless Communications and Networking Conference, 2004. WCNC. 2004 IEEE Volume 2, 21-25 March 2004 Page(s):789 - 795 Vol.2以實驗說明了封包大小(frame size)對於EDCA的景多響’並以實驗證實EDCA的吞吐量(throughput)效能相較於傳統的DCF，受壞連結(Bad Link)之干擾較小。

其他文獻中，有的針對EDCA所提出的許可控制演算法(Admission Control Algorithm)，藉著控管網路的整體流量來維持高優先權傳輸的服務品質，或是在HCCA的環境上，k出應該根據封包於物理層之實際傳送速率來設定 TXOP值，以達到更有效率的服務品質。或是解決於EDCA 環境中，QBSS(QoS supporting Basic Service Set)彼此因為作用在同一頻帶而引致的radio資源共享的問題。 9 200929951 25333twf.d〇c/n 【發明内容】批禮的範例提供""種在與8G2.ue共存環境下，提 ϋ M台服務品f之支援。本發明旨在提高整體 • * *矛品f ’使具有即時需求的封包能夠較被公平的對存，子有應得到的服務品質。 /本發明的範例提出一種資料傳輸方法，適用於一通訊 ^統中此通訊系統包括同時存在使用_ η協定的多個 ❹ 第一存取站台和與使用802.11e協定具有支援服務品質 (f〇S)的多個第二存取站台。此方法包括由所述第二存取站台其中之一，作為一競爭協助存取站台，並且以一第一存取類別取得媒介使用權。藉由廣播競爭協助(Contention AssisTance ’ CAT)封包給所有第一存取站台與其他第二存取站台，其中所述其他第二存取站台根據競爭協助封包靜止第一預訂時間不進行爭奪媒介使用權，而所述第一存取站台根據競爭協助封包傳送具有一服務品質（q〇s)要求的封包。在一實施例中，所述競爭協助(CAT)封包包括一傳送機會(TX0P)攔位’用以界定第一存取站台可以根據競爭協助封包啟動服務品質(QoS)要求的封包的時間區間值。在一實施例中，所述競爭協助(CAT)封包包括—有效期間(Duration)攔位，其中其他第二存取站台根據有效期間 (Duration)攔位的内容決定靜止的第一預訂時間值。在一實施例中，第一預訂時間值為DCF訊框間間隔 (DIFS)時間加上一延遲視窗(Deferring Window)的時間。 200929951 25333twf.doc/n 在一實施例中，所述第二存取站台其中之一做為競爭協助存取站台的方式為經由連上802 11e協定具有Q〇s支援之無線存取點(QAP)的第二存取站台内的競爭協助計時器(CAT Timer)，計時第二預訂時間後，主動發出第一存取類別，而由連接到此無線存取點(QAP)的第二存取站台其中之一取得媒介使用權。在一實施例中，此第二存取站台内的競爭協助計時器〇在母隔一固疋週期(CAT Interval)便會發生逾時，告知第二存取站台進行發送競爭協助(CAT)封包之動作，並且為避免碰扣，競爭協助計時器藉由收受其他第二存取站台所發出的競爭協助(CAT)封包進行調整固定週期(cat Interval) 值。在一實施例中，一種調適性週期(Adaptive Interval)方法用以調整固定週期(CAT Interval)值，而適性週期方法包括考慮所接收其他第二存取站台的發送頻率進行調整。在一實施例中，此具有服務品質(Q〇s)要求的封包為 ’傳送聲音(Voice)或影像(video)的資料。在一實施例中，所述第一存取站台根據競爭協助封包，在延遲視窗的區間内，隨機產生延遲時間(Deferring Time)，而所述第一存取站台偵測到dCF訊框間間隔(DIFS) 時間加上隨機產生的延遲時間取得媒介使用權。在一實施例中，此競爭協助(CAT)封包包括一傳送機會(TXOP)攔位，用以界定第一存取站台可以根據競爭協助封包啟動服務品質(QoS)要求的封包的時間區間值，而第一 11 25333twf.doc/n 200929951 存取站台以每間隔兩個短訊框間間隔(Sh〇ft奶，删)及 -個確認訊號ACK的方式來料服務品f (Q q s)要求的封包。為讓本發明之_L述特徵和優點能更g細易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。，【實施方式】實施例說明 ❹ 本發明提供一種具競爭協助機制之媒介存取(MACAT) 協定，在與802.11e共存環境下，提供傳統8〇211站台服務品質之支援。本發明旨在提高整體網路的服務品質，使具有即時需求的封包能夠較被公平的對待，享有應得到的服務品質。本發明係針對無線網路環境，藉著擴充8〇211及 802.1 l.e 之媒川存取控制（Medium Access Control，MAC) 功能來提升整體網路之服務品質（Quality 〇f Service， QoS)，進一步保障網路資源不會被具有競爭優勢之8〇21^ 用戶所獨占’提升整體的服務品質。802116是1]^£為了提升無線網路環境之服務品質所提出的媒介存取控制，雖然可以相容於傳統的802.11，但其與802.11共存時， 8〇2.lle在媒介(Medium)的競爭上佔有相當大的優勢，當共存環境網路資源不足時，802.11e將獨占幾近所有的資源’特別是當進行兩種規格間雙向溝通的服務，如網路電話、視訊會議等，本發明提出一套擴充802 u及8〇211e 之媒介存取控制的機制MACAT (Medium Access with 12 200929951 25333twf.doc/n

Contention AssisTance)。本發明所提出的MACAT機制，將會要求具有go] He Q〇S支援的存取站台QSTA在某些特定的時間扮演8〇2 u 存取站台STA之媒介競爭助理，定期廣播一個競爭協助 (Contention AssisTance，CAT)封包，讓有需要傳送聲音或是影像資料的802.11 STA可以有機會取得媒介使用權以進行傳送，維持在共存環境下所有具有即時傳輸需求之用 ❹ 戶（特別是802.11用戶）所應享有的服務品質。本發明是考慮在802.11與802.11e用戶共存之無線網路中，提出MAC擴充之設計，也就是具競爭協助機制之媒介存取協定。如圖4所示，當具有8〇2.11e Q〇s支援的存取站台QSTA與802.11存取站台STA欲傳送封包時，須先等待 DCF 訊框間間隔(DCF lnter-frame Space，DIFS) 或仲裁訊框間間隔AIFS時間，如果媒介處於忙碌的狀態時，則還要加上一段後退(Backoff)的時間。8〇2.11eQSTA 之高優先權的封包，由於具有平均較小的Back〇ff時間， 61 而比傳統的802.11 STA有較高的機率可以成功的取得媒介的使用權。即便802.11 STA欲傳送之封包為同樣為具有高度服務品質要求的封包，卻礙於傳統802.11 MAC的 DIFS及競爭視窗Contention Window的限制而無法與 802.lleQSTA公平競爭。因此，本發明提出MACAT這套新的MAC存取機制來改善這個現象。在MACAT中，802_lle存取站台qSTA在特定的時間點，將成為輔助傳統802.11存取站台STA中具備高度 13 25333twf.doc/n 200929951 服務品質要求之封包的媒介競爭助手，在無損自身的服務品質的前提下’使802.11 STA以及與其進行即時封包傳輸的802.11e QSTA享有應得的服務品質，進而提升整體網路的服務品質。而且對於實行此方法的8〇2 lle qSTA來說，未來此站台如與802.il STA進行即時傳輸，服務品質也可得益於其他實行此法的8〇2.iie QSTA，達到雙臝的效果。 802.11e 802.1 le制定了兩個新的mac存取方法，一個是分散式的增強分散式通道存取（Enhanced Distributed Channel Access ’ EDCA)機制，一個是集中式的混合式協調功能 (Hybrid Coordination Function，“HCF”）控制頻道存取 (Controlled Channel Access)機制(底下稱為 HCCA)，這兩種新的存取方法增強了 802.11 a/b/g原有之DCF、PCF的存取方法。增強分散式通道存取（Enhanced Distributed Channel Access ’ EDCA)機制可以說是參數化(parameterized)的分散式協調功能(Distribute Coordination Function，DCF)，為了提供不同優先權(priority)的服務品質，802.11e引入了四個不同的存取類別(Access Category，“AC”），這四個類別分別是聲音(Voice)、影像(Video)，盡力傳送(Best effort)與背景（Background)，每個類別有屬於自己的傳送佇列 (Transmission Queue)和一組存取參數集(Access parameter 200929951 25333twf. doc/n set) ’藉著調整參數來區分各個不同存取類別之優先權，這些參數詳列如下：仲裁5孔框間間隔時間（Arbitrary inter-frame space time簡稱為aifsN):在開始後退(Backoff)之前，媒介保持間置的最小時間區段。入正8]^越小表示優先權越高。競爭視窗（Contension window，“CW，，，包括 CWmin and CWmax): Backoff機制需要從競爭視窗cw中隨機挑選一 ❺ 個數字來計算需要backoff的時間，cWmin為CW的預設最小值 ’ CWmax 為 DCF exponential backoff 機制中 CW 的上限值。若CW值越小’則隨機選中之backoff時間有較大機率為較小值，亦即在偵測較短的閒置時間後便可存取媒介。傳輸機會 Transmission opportunity (TXOP):當一個節點(node)成功競爭到媒介後，封包傳輸可以於一來一往中皆僅間隔一個短訊框間間隔(Sh〇rt辽幻之時間。τχ〇ρ為進行此方式的時間上限。亦即在τχ〇ρ的時間内，這個節點不需再與其他人競爭媒介即可直接發送。當資料從上層傳到MAC層時’會依據其所屬的存取類別放入該類別的傳送宁列中’再經過虛擬碰撞處理器 (Virtual Collision Handler)來決定是哪一個類別的封包可以依據其預設的參數集來存取媒介。透過這樣的機制，優先權較高的封包便可成功地競爭到媒介之使用權。 HCCA則是提供一套中央輪詢(centralized Polling)的機制’根據每個傳輸流量(Traffic Flow)來分配具有保障的 15 200929951 25333twf.doc/n 媒介使用權。無線存取點(Access Point，AP)在每個服務區段(Service Interva卜SI)裡會依照其輪詢名單上的順序來詢問這些QSTA是否有封包需要傳送，在收到qSTa的需求回應(RequestResponse)後，則根據其回應之參數帶入排程 (Scheduling)演算法，算出將要分配給該qSTA所需之 TXOP ° 由於HCCA於8〇2.lie為選擇性(optional)部份，所以 ❹ 我們以下所考慮的802.11e STA皆是假設只運行EDCA，並無HCCA。 g02.ll舆802.11e共存環嫩之索灰 IEEE在2005年完成802.11 e標準的制定，同時在WiFi 聯盟的響應下’在2006年其相關產品已陸續問世，預估在不遠的未來，無線網路環境將會形成由802.11e QSTA與傳統802.11 STA共存之環境。由於802.1 le QSTA在Voice 及Video兩種類別上的媒介競爭優勢，將會造成傳統 802.11 STA中同樣具有嚴格時間要求的Voice與Video封包由於依循較為劣勢的競爭參數而無法取得媒介使用權，喪失其應享有的服務品質，造成同樣類別的封包，卻遭到不公平對待的情況，甚至於網路資源不足時，將面臨飢餓 (Starvation)的窘境。由於802.1 le標準的通過，近來無線存取點(ap)裝置的發展也將802.11e標準納入基本配備，QAP(Quality of service AP ’ QAP)的版圖擴展逐漸成為趨勢，並且以相近 16 200929951 25333twf.doc/n 於傳統AP的價格打開市場’我們預測未來的網路將由許夕 QoS 支棱基本服務叢集(Q〇s sUpp〇rting Basic Service Set底下稱為qbss)與傳統基本服務叢集(Basic Service Set ’ BSS)所組成。並且新佈建的區域無線網路有極大之可忐將以QBSS為主，因此產生所考慮的網路架構，如圖5 所不，不同的QBSS之間經由骨幹網路(Backbone)而互相連接，如圖所示的QBSS 1與QBSS 2之間由Ethernet網路 ❹ 510相互連接。而在某些QBSS下，802.11 STA與802.11e QSTA形成共存之環境，如圖所示的QBSS 1與QBSS 2内的存取站台STA與QSTA並存。當這些QBSS下的節點在進行即時性的傳輸時，骨幹網路部份成為瓶頸的機率不大，但只要任一 qBSS下的某個節點無法取得媒介之使用權來發送封包，形成溝通傳輸過程之障礙’便會造成雙方對於網路服務品質的不滿意。舉例來說，如果(^88 1下的802.1化(^1入希望與(^88 2 下的802.11 STA進行網路電話應用，但是由於qBSS2下 ® 的802.11eSTA也想跟QBSS 1下的802.11 STA進行共享影音的服務，在網路資源有限的情況下，兩個QBSS的媒介可能都被其下的802.11e QSTA近乎獨占，以致8〇2 u STA的服務品質無法受到保障，間接影響與其進行通訊之 802· 11 e QSTA所感受到的服務品質’進而影響到整體網路的服務品質，造成（^85 1和（^88 2下的8〇2.118丁八及 802.11eQSTA都對服務品質感到不滿。為了解決這種因為802.11 STA與802.11eSTA共存之 25333twf.doc/n 200929951 環境所帶來的不公平而沒有效率的服務區別（咒^& differentiation)，因此，本發明提出修改8〇2 η及8〇2 ne 的MAC’而產生新的具競爭協助機制之媒介存取(MACAT) 協定。適用於共存環境之MACAT博定本發明提出具競爭協助機制之媒介存取(MACAT)協 ❹ 定，可以利用現存的lie裝置來輔助802.li裝置提昇雙方的服務品質。當網路中同時存在著802.U和8〇2 Ue裝置時(如圖 6)，MACAT將令802.11e存取站台QSTA每隔一段特定的時間便以聲音存取類別(AC1)的競爭參數集來取得媒介使用權，成功取得媒介後便廣播一個CAT (Contention AssisTance)封包(例如圖7) , 802.u存取站台STA在收到此封包時’可以有機會傳送聲音(voice)與影像(Vide〇)的資料，讓802.11 STA中具有高度服務品質(q〇s)要求的封包 © 能在不利於己的網路環境中儘可能的及時傳送。圖7中所示的CAT封包的欄位内容詳述如下，包括訊框控制（Frame Control)攔位中的類型（Type)及次類型 (SubType)攔位分別為01及0000，τχ〇ρ攔位則填入當下扮演競爭協助角色的QSTA AC1的ΤΧΟΡ值。τχ0Ρ為當一個節點(node)成功競爭到媒介後，封包傳輸可以於一來一往中皆僅間隔一個短訊框間間隔(Short IFS)之時間。 TX0P為進行此方式的時間上限。亦即在τχ〇ρ的時間 18 200929951 ---------.. 25333twf.doc/n 内’這個節點不需再與其他人競爭媒介即可直接發送。其他的QSTA在收到CAT封包後，會去讀取τχορ的值，這是在通訊標準協議中所定義的值，在此時間不會有其他的QSTA競爭傳輸的通道。圖8說明了 MACAT協定的運作情形。如前所定義， QAP為QoS存取站台，具有802.1 le QoS支援之無線存取站台。具有QoS的工作站QSTA在連上QAP後，隨即設 ❹ 定其CAT計時器(Timer)，當計時器倒數完畢發生逾時， QSTA便以AC1的競爭參數集來爭奪媒介，在成功爭奪到媒介後便廣播一個CAT封包，在同一 QBSS下之其他 QSTA於收到此封包後將靜止一段difs與DW(延遲視窗 Deferring Window)的時間不進行爭奪媒介的動作，讓所有在同一 QBSS下收到CAT封包的802.11 STA有機會在 QSTA環伺的環境下’屏除qsta的威脅，公平地競爭媒介以傳送聲音(Voice)與影像(Video)的資料。

如果說同時有兩個以上的802.11 STA都有聲音與影像的資料等待傳送而需要競爭媒介’則可能會發生碰撞。為了避免碰撞而造成CAT封包的浪費，所有收到CAT封包的802.11 STA會隨機的在延遲視窗DW的區間中，隨機產生一個延遲時間Td(Deferring Time)，802.11 STA必須在偵測到一段DIFS時間加上延遲時間丁(1的媒介閒置時間後才可以存取媒介’而搶到媒介使用權的802.Η STA則可以在CAT封包中宣告的傳輸機會τχ〇ρ時間内，每間隔兩個短訊框間間隔(Short IFS，SIFS)及一個確認訊號ACK 19 200929951 25333twf.doc/n 的方式來傳送聲音與影像的封包’也就是短訊框間間隔 SIFS今ACK+短訊框間間隔SIFS的方式。圖9為CAT封包發送之流程狀態圖。qSTA具備一個計時用的CAT計時器，當CAT計時器逾時之時，qSTA 便會以AC1的競爭參數集來設法取得媒介以廣播 (br〇adCast)CAT封包。CAT封包發送時，網路分配向量 (Network Allocation Vector，NAV)宣告為 DIFS+延遲視窗 DW、CAT—TXOP 設為 QSTA 其 AC1 之 TXOP，CAT 封包發送完畢後’ QSTA便重新設定CAT計時器，準備下一次的CAT發送。設立延遲視窗DW之用意是為避免多個8〇2.u STA 在收到CAT封包後，同時開始傳送資料而發生碰撞，不僅失去傳送機會也浪費掉發送CAT封包的頻寬等網路資源。每個802.11 STA必須要在DW裡，隨機挑選一個延遲時間Td，再加上一個DIFS來偵測媒介是否閒置，以避免碰撞。另外將NAV设為DIFS+DW是要確保在這段時間内’所有其他的QSTA不能與802.11 STA競爭媒介，使得 802.11 STA有機會可以傳送Voice或video的資料，以避免飢餓(starvation)。也可以使得整個網路透過qSTa的幫助下’可以提供較為公平的服務品質(q〇s)。圖10說明了 OSTA為了競爭協助封包接收節點的 MAC AT協定狀態圖。QSTA處於間置(idle)狀態，而接收到一個CAT封包時，將會根據所接收的CAT封包中所帶 20 200929951 25333twf.doc/n 的有效時間(Duration)值來設定其NAV計時器，保留媒介之使用權給802.11 STA。圖11說明了 802.11 STA為競爭協助封包接收節點的 MACAT協定狀態圖。所有802.li STA在收到CAT封包時，在其他QSTA靜止的這一段藉由NAV來保留媒介的時間裡’只要有Voice或Video的封包要傳送，都可以公平的來競爭媒介使用權。例如在閒置狀態時，接收到 ❹ 一個CAT封包，並接著如步驟1120，檢查是否有Voice 或Video的封包要傳送，若是有，則進行步驟113〇，從 DW(延遲視窗Deferring Window)選擇延遲時間Td，若是沒有聲音與影像的封包要傳送，則回到閒置狀態111〇。在 Td選擇後，則設定傳送裝置的計時器(DIFS+Td)，如步驟 1140。當Td計時器截止但通道仍為忙碌狀態時，則回到閒置狀態1110，但是若是當Td計時器截止但通道為閒置狀態時’則如步驟1150開始傳送封包，在完成傳送並且達到TXOP的限制後，回到閒置狀態1110。藉由此方式讓 802.11 STA可以在QSTA環飼的情形下，有機會競爭取得媒介使用權，以避免飢餓(starvation)。一般802.11 STA會在偵測一段DIFS媒介閒置時間後開始試圖存取媒介，但在MACAT協定下，所有收到CAT 封包的 802.11 STA 將在 Deferring Window(DW)中隨機挑選一個延遲時間(Td) ’藉此以減少碰撞造成MACAT協定失敗的機率’接著便開始偵測媒介一段DIFS加上Td的時間，如果媒介於這段時間内都是閒置的，便開始試圖存取 21 25333twf.d〇c/n 200929951 ；l在成功爭奪到媒介使用權後，可在給定 Τ—TXOP時間内以每個封包只需相距兩個s肌加上個ACK的方絲傳送封包。纽難賴爭媒介下一次收到CAT封包的機會 ❹

、以上的描述說明了本發明所提出的MACAT協定如何運作於不同肖色的站台，其巾較為制的是qsta必需維 ^寺個CAT物器，qsta>^賴計時器的逾時事件，來進行，送CAT封包之動作。這裡制的cat計時器原則上在母隔段固疋週期(CAT Interval)便會發生逾時，告知 QSTA進行發送CAT封包之動作，但為了避免CAT封包過度的碰撞’CAT計時器岐定必賴純受其他qsta 所送的C^T封包來進行調整，細節如下段所述。由於每個QSTA都以相同的固定週期CAT Interval週期性的發送CAT，如果有^個以上的QSTA同時或於相隔 CAT Interval的倍數時間開始設定其cAT計時器，則它們所傳送的CAT封包將會不停的碰撞，無法被其他站台成功接收。此外，有時會遭遇某些QSTA設定發送CAT的時間過於接近，而造成好幾個連續的CAT封包傳送，導致兩種情況的發生’第—種為只有-個CAT封包可以擷取到通道，真正的被成功接收而達到提升QoS之目的，其他的 CAT完全浪費。另一則為發生碰撞，全數的cat都浪費。

在此提出一個調適性週期(Adaptive Interval)方法。在 QSTA上具有一個CAT計時器，記錄一開始的cAT Interval ’但是每個qSTa在收到來自其他qsta的cAT 22 200929951 25333twf.doc/n 封包後，會比較其他QSTA與自己的發送頻率是否過於相近而調整下次發送CAT的時間，避免掉傳送時間太近的問

題。另外QSTA在每次發送CAT後，會對下次發送cAT

Interval進行微調，如此可以使原本同時開始傳送的 QSTA在一定次數的發送後，能夠藉由聽見其他與自己發送時間相近之QSTA的CAT來與其錯開，其程序詳列^ 下。 ❹ Past Interval (PI) : QSTA用來量測其他qSta與其發送CAT封包頻率之時間差。 lastSendCATtime: QSTA上次發送CAT封包的時間。 recvCATTime: QSTA收到其他QSTA所送之CAT封包的時間。 α是一個用來判斷發送頻率是否接近的臨界值，如果任兩個QSTA發送之CAT封包的時間差小於α，就被判斷為發送時間太過相近’需要進行錯開CAT封包發送時間的調整。 ® 當接收到一個CAT封包時，

Past Interval (PI) = recvCATtime - lastSendCATtime mod CAT Interval (Cl) 如果（（PI < a)或是（PI>(l-a)) 調適性週期(Adaptive Interval ’ AI) = a+ [在（Cl- 2 a)内的任一隨機號碼] CAT計時器=AI。在傳送出一個CAT訊框(Frame)後： 23 25333twf.doc/n 200929951 調整Interval (AI) = ( CI- α) + [在2 α内的一隨機號碼] CAT計時器等於ΑΙ。· MACAT協定效能的棋擬驗證MACAT的效能是採用如圖12之網路架構進行說明。在網路中有兩個無線存取點A以及B。在無線存取點A的服務範圍中包含三種交談(Session)在進行，包括一為運行在 802.1 le QSTA EDCA 上之 VoIP session，一為運行上802.11 STA DCF上之VoIP session，另一為運行在 802.11 STA DCF 上之 best-effort 資料 session。在無線存取點B的服務範圍中全為扮演接收端的802.11eQSTA。以此架構為主要模擬環境，在網路模擬器NS2(Network Simulator 2)上將資料依照事先擬定好的參數進行傳送，在無線存取點B的站台接受端量測出模擬的點對點延遲 (End-to-End delay)、傳輸率（BitRate)、以及封包遺失率 (Packet Lost Rate)，進而比較 MACAT 及一般 MAC 的結果。以下為模擬的條件及設定參數：傳輸負載(Traffic Load):

VoIP session:使用指數 ON-OFF 模組(Exponential ON-OFF model)來模擬VoIP session，平均在〇N狀態，也就是以固定位元率(Constant Bit Rate，CBR)發送封包的時間為1000毫秒(ms)，在OFF狀態的時間為1350 ms，其 24 200929951 25333twf.doc/n ON狀態與OFF狀態的時間分钸函數遵循指數(Exp〇nen㈣函數。於ON狀態期間’每次發送的封包大小為16〇位元組(Bytes) ’平均發送速率為64K位元/每秒(b/s)。

Best_effort data sessi〇n:使用 Pareto ON-OFF 模組來模擬，平均在ON狀態(以CBR發送封包)的時間為1〇〇ms，在OFF狀態的時間為1〇 ms，其〇N狀態與〇FF狀態的時間分佈函數遵循Pareto函數。於0]^狀態期間，每次發送 ❹ 的封包大小為1500位元組(Bytes)，平均發送速率為2〇〇κ 位元/母秒(b/s) ’ Pareto模組的shape參數設為1.5。模擬時間：1200秒。 CAT之發送間隔時間：〇.7秒。 α : 0.3毫秒。資料傳輸率(Data Transmission Rate) : 11百萬位元/每秒(Mbps)。基本傳輸率(Basic Transmission Rate) : 1百萬位元/每秒(Mbps)。訊頭長度(Preamble Length) : 144 位元。 PLCP Header 長度：48 位元。圖13至圖16為模擬之結果圖，部分模擬的結果圖示類似的原因是因為效能相當接近，特此說明。『EDCA』用來標示運行在原來的802.lie EDCA MAC上之VoIP session ’『DCF』用來標示運行在原來的802.11 DCF MAC 上之VoIP session，『EDCA - our scheme』用來標示運行在 802.11e EDCA MACAT 上之 VoIP session，『DCF - our 25 25333twf.doc/n 200929951

scheme』用來標示運行在802 11 DCF MACAT上之VoIP session。『data』用來標示運行在DCF上之best eff〇rt session ’『data - our scheme』用來標示運行在DCF上之 best effort session在運行MAC AT環境中所受到的影響。在以下的實驗中’將data session的總數固定為14，運行在EDCA以及DCF上之VoIP session總數同步由12 增加至16。觀察三種輸出之表現，分別是位元率(Bitrate)、封包下降率（Packet Drop Rate)、以及點對點的延遲 (End-to-end Delay)。圖13與圖14中的縱軸之位元率(Bitrate)用來表示每一 session在模擬時間中平均可達到的吞吐量，橫軸表示三種 session的數量總和’其中data session的總定固定為14，兩種VoIP session總數各佔剩餘的一半。從這裡可以發現當session總數的上升時，運行在原始mac或MACAT上之EDCA VoIP session的位元率依然可以維持在與其封包產出速率接近相同的速率’如標號1310所指的多條曲線部分。而DCF data session會隨著session總數的增加，產生效能的下降，如標號1330與1420所示，而運行MACAT 時，data session的位元速率(Bitrate)下降會比原來的更多，如標號1320與1410所示，這是由於CAT封包將會剝奪 best effort data session 之資源來提供 DCF VoIP session 所需之QoS。從圖15與16的圖示可以發現，DCF VoIP session可以藉著CAT的幫助適時地利用best-effort traffic的資源， 26 200929951 25333twf.doc/n 在不損傷EDCA VoIP sessi〇n之qos前提下，明顯的降低 DCF VoIP sessi〇n之封包遺失率(packet L〇st尺扯)以及點對點的延遲(End-to_end Delay)，提升整體網路的Q〇s。根據這些實驗可以得知，本發明所提出的訄八(：八丁機制確實可以在不影響EDCA表現的情況下，顯著提升dcf 的效能，進而達到雙方都滿意的通話品質。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 ❹ 限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為、準。【圖式簡單說明】圖1是說明EDCA機制與HCCA機制，與傳統的 802.11媒介存取控制機制DCF與PCF的架構示意圖。圖2為EDCA參數集之預設值。 ❹圖3的是說明網路中同時存在的8〇2 u STA(存取站台）及802.11e QSTA(具有〇〇S的存取站台）個數與達到的吞吐量示意圖。

圖4是說明具有8〇2.lle q〇s支援的存取站台qSTA 與802.11存取站台STA欲傳送封包時，須先等待DCF訊框間間隔(DIFS)或仲裁訊框間間隔AIFS時間，如果媒介處於忙碌的狀態時，則還要加上一段後退(]8&(^〇均的時間的示意圖。圖5是說明不同的qbss之間經由骨幹網路(Backb〇ne) 27 25333twf.doc/n 200929951 而互相連接的關連示意圖。圖6是說明網路中同時存在著8〇2 u和8〇2 Ue穿網路關連示意圖。 t 圖7是說明本發明所提出MACAT協定中，關於cAT 封包的欄位内容實施例示意圖。圖8是說明本發明所提出MACAT協定的運作情形。圖9為CAT封包發送之流程狀態示意圖。 ❹ 圖1〇疋說明〇STA為了競爭協助封包接收節點的 MACAT協定狀態示意圖。圖11疋5兑明了 8〇2.11 STA為競爭協助封包接收節點的MACAT協定狀態示意圖。圖12是為了驗證MACAT的效能的網路架構。圖13至圖16為根據圖12的網路架構進行驗證 MACAT效能之結果示意圖。【主要元件符號說明】 100 : 802.Π媒介存取控制機制 ® 510 : Ethernet 網路 QAP :具有802.11e Q〇S支援的無線存取點 QSTA :具有802.11e QoS支援的存取站台 STA :具有802.11支援的存取站台 QBSS1、QBSS2 :基本服務叢集(Q〇S supporting Basic Service Set) 28

Claims

200929951 25333tw£doc/n 十、申諝專利範面： 1.一種資料傳輸方法，適用於一通訊系統中，其中該通訊系統包括同時存在使用802 11協定的多個第二存^ 站台和與使用802.11e協定具有支援服務品質(q〇s) 第三存取站台，該方法包括^ 二由該些第二存取站台其中之一，作為一競爭協助存取站台，並且以一第一存取類別取得媒介使用權；以及 ❹ 廣播一個競爭協助(Contention AssisTance，CAT)封包給所有該些第一存取站台與其他該些第二存取站台，其中該些其他第二存取站台根據該競爭協助封包靜止一第一預訂時間不進行爭奪該媒介使用權，而該些第一存取站台根據該競爭協助封包傳送具有—服務品f(QGS)要求的封包。 2. 如申請專利翻第1項所述之方法，其中該競爭協助(CAT)封包包括一傳送機會(τχ〇ρ)搁位，用以界定該些第存取站台可以根據該競爭協助封包啟動該服務品質 _ (QoS)要求的封包的時間區間值。 3. 如申請專利賴第丨項所述之方法，其中該競爭協 (CAT)封包包括一有效期間(Dm>ati〇n)攔位，其中該些其他第二存取站台根據該有效期__Qn)攔位的内容決定靜止的該第一預訂時間值。 4. 如申請專職圍第i項所述之方法，其巾該第一預訂時間值為DCF訊框間間隔(DIFS)時間加上一延遲視窗 (Deferring Window)的時間。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該些第二 29 25333twf.doc/n 200929951 存取站台其中之一做為該競爭協助存取站台的方式為經由連上該802.11e協定具有Q〇S支援之無線存取點(QAp)的該些第二存取站台内的一競爭協助計時器(CAT Timer)，計時一第二預訂時間後’主動發出該第一存取類別，而由該些連接到該無線存取點(QAP)的該些第二存取站台其中之一取得媒介使用權。

6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二启取站台内的該競筆協助計時器在每隔一固定週期（CA] Interval)便會發生逾時，告知該第二存取站台進行發送該氣爭協助(CAT)封包之動作，並且為避免碰撞，該競爭協琢計時器藉域受其倾些帛二存料台所發出的競爭協段 (CAT)封包進行調整該固定週期(CAT Imerval)值。、7.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中進行一遠性週期(Adaptive interval)方法#以調整該固定週期 ^terVal)值’該舰職方法包括考慮所純其健些第二存取站台的發送頻率進行調整。務口料纖圍第1項騎之方法，射該具有服的Ϊ料(Q要求的封包為傳送聲音(VGke)或影像(Video) 9如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該 ιί機產據該競爭協助封包，在—延遲視窗的區間内，站Ν貞測至丨，延遲時間(DeferringTime)，而該些第一存取該卿啊間加域機產生的 30 200929951 25333twf.doc/n 10.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該競爭協助(CAT)封包包括__傳送機會(τχ〇ρ)攔位，用以界定該些第一存取站台可以根據該競爭協助封包啟動該服務品質 (QoS)要求的封包的時間區間值，而該第一存取站台以每間隔兩個短訊框間間隔（Short IFS，SIFS)及一個確認訊號 ACK的方式來傳送該服務品質(Q〇s)要求的封包。 11，一種通訊系統，包括：輸；存州，㈣—购1細行資料傳援服存取站台，使用一搬儿協定進行具有支棱^務印質(QoS)的資料傳輸，其中該些第二存取站台其中 ❹ 該競爭協助機制媒介存取(MACAT)協定的二競 ί站台並且以一第一存取類別取得媒介使用 ΓΛπ'Μ藉由廣播—個競爭協助（C〇ntention A—ce，站a，所有該些第—存取站台與其他該些第二存取止：第二葙該2其他第二存取站台根據該競爭協助封包靜存取=2=爭奪該媒介使用權，而該些第-要求的封包。/協封包傳送具有—服務品質(Q〇s) 競爭嫩之通訊线，其找定該些第-存忽^；傳送機會(τχορ)欄位，用以界品質_要求爭協助封包啟動該服務 13.如申請專利範圍第η項所述之通訊系統，其中該 31 25333twf.doc/n ❹ ❷ 200929951 包包括—有效期間(―攔位，其中 :二：if 一存取站台根據該有效期間(Duration)攔位的内谷決疋靜止的該第一預訂時間值。 H.如申請專利範圍第u項所述之通訊系統，巧今苐:預㈣間值為DCF訊框_隔_s)時間加上一延遲視窗(Deferring Window)的時間。 ^如申請專利範_ n項所述之通訊祕，其中該 L第取站台其中之—做為該競爭協助存取站台的方式該8〇2.lle協定具有Qos支援之無線存取點 (Q )的紅第二存取站台内的—競爭協助計時器(cat Timer) ’树―第二預訂時·，主動發出該第一存取類別，而由該些連接到該無線存取點(QAP)的該些第二存取站台其中之一取得媒介使用權。 16. 如申請專利範圍第u項所述之通訊系統，其中該第二存取站台内的該競爭協助計時器在每隔一固定週期 (CfT Interval)便會發生逾時，告知該第二存取站台進行發送該競爭協助(CAT)封包之動作，並且為避免碰撞，該競爭協助計時器藉由收受其他該些第二存取站台所發出的競爭協助(CAT)封包進行調整該固定週期(CAT Interval)值。 17. 如申請專利範圍第16項所述之通訊系統，其中進行一適性週期(Adaptive Interval)方法藉以調整該固定週期 (CATInterval)值’該適性週期方法包括考慮所接收其他該些第二存取站台的發送頻率進行調整。 18·如申請專利範圍第11項所述之通訊系統，其中該 32 25333twf.doc/n 200929951 具有一服務品質(QoS)要求的封包為傳送聲音(v〇iee)或影像(Video)的資料。 19·如申請專利範圍第11項所述之通訊系統，其中該些第一存取站台根據該競爭協助封包，在一延遲視窗的區間内，隨機產生一個延遲時間(Deferring Time)，而該些第一存取站台偵測到一 DCF訊框間間隔(DIFS)時間加上隨機產生的該延遲時間取得該媒介使用權。

-20·如申請專利範圍第19項所述之通訊系統，其中該競爭協助(CAT)封包包括一傳送機會(τχ〇ρ)攔位，用以界，該些第一存取站台可以根據該競爭協助封包啟動該服務品質(QoS)要求的封包的時間區間值，而該第—存取站a以曝。rt⑽，咖)及—個確二、訊唬CK的方式來傳送該服務品質(Q〇s)要求的封包。 ❹ 33