TWI389518B - 網路閘道器及其重置方法 - Google Patents

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TWI389518B TW097106407A TW97106407A TWI389518B TW I389518 B TWI389518 B TW I389518B TW 097106407 A TW097106407 A TW 097106407A TW 97106407 A TW97106407 A TW 97106407A TW I389518 B TWI389518 B TW I389518B
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Description

網路閘道器及其重置方法
本發明係關於一種網路閘道器之移動管理的技術，尤指一種提供存取服務網路閘道器的動態重置(relocation)能力以及重置時機的技術。
隨著無線通訊技術的發展，以.及行動通訊技術的商業化，各大標準組織已開始進行下一代行動通訊系統的研討及標準化制定。IEEE(國際電機電子工程學會)802.16系列提出一種結合了固定式(fixed)、可攜式(portable)以及行動寬頻無線接取(Mobile Broadband Wireless Access；MBWA)的空氣介面(air interface)標準。WiMAX論壇更提出一種適用於IEEE 802.16標準的網路架構：WiMAX點對點網路系統架構(WiMAX End-to-End Network Systems Architecture)。IEEE 802.16系列的無線傳輸技術具有訊號覆蓋範圍廣、頻寬大及支援高速移動等特性，使得此網路架構被視為第4代行動通訊網路的通用標準之一，並與第三代行動通訊網路標準組織所延伸的新一代行動通訊標準各擅勝場。
WiMAX點對點網路系統架構可大致分為兩個部份：存取服務網路(Access Service Network；ASN)及連線服務網路(Connectivity Service Network；CSN)。圖1顯示存取服務網路及連線服務網路之架構圖。存取服務網路主要提供以及管理無線傳輸的資源，如訊號頻道(radio channel)等資 源。存取服務網路並具有一個以上的存取服務網路閘道器(ASN Gateway；ASN GW)來負責無線資源的分配以及與連線服務網路之間的連線。連線服務網路主要以有線的方式將不同的存取服務網路連結起來，或將不同的存取服務網路連結起來後，再與其他不同的網路連結，如圖1中存取服務網路可連結其他網路系統。這些不同的網路系統可以是網際網路(Internet)、電話系統(Public Switched Telephone Network；PSTN)等等。連線服務網路主要提供以IP為基礎的服務。
在WiMAX點對點網路系統架構的標準中，對移動管理(mobility management)的部份提出了兩種的管理機制：存取服務網路移動管理(ASN anchored mobility management)與連線服務網路移動管理(CSN anchored mobility management)。存取服務網路移動管理主要負責使用者在不同基地台或不同閘道器之間的移動管理。連線服務網路移動管理是以移動式IP(Mobile IP)為基礎，其負責存取服務網路與連線服務網路之間連線轉換的移動管理。圖1並顯示行動端的漫遊(roaming)及換手(handoff)情形。起先，行動端(Mobile Station；MS)沒有任何漫遊或換手的情況發生，其連線狀況如圖1中的連線(1)所示，即行動端建立一與基地台A(Base Station；BS)之連線，基地台A與閘道器A之連線R6及閘道器A與本地代理(Home Agent；HA)的連線R3。之後，行動端沿著路線(2)漫遊或換手到其他的存取服務網路。為了不產生過大的漫遊或換手延遲，標準中允許行動 端只進行存取服務網路移動的機制，不需同時變動閘道器與連線服務網路之間的連線，其連線狀態變成連線(3)的情況，即閘道器A(ASN GW A)負責轉送行動端的封包至閘道器B(ASN GW B)。此狀態下，閘道器A被稱之為轉送閘道器(anchored ASN GW)，閘道器B被稱之為連線服務閘道器(serving ASN GW)。然而網路系統若要進行資源管理或減低封包傳送延遲，可以要求行動端執行連線服務網路移動機制，建立服務閘道器與連線服務網路的連線，連線狀態會改變成連線(4)的情況。在此連線狀態下，訊息不再透過轉送閘道器與連線服務網路連接，改成由服務閘道器直接連線到連線服務網路。
然而上述連線(4)的啟動時機並未納入標準中，而閘道器流量的管理是影響整體網路效能的關鍵因素之一。故為提供更高的網路服務效能，一種正確決定閘道器重置行動端時機的方法將為推廣無線寬頻服務之所需。
本發明之網路閘道器之重置方法之一實施例之步驟包括：對第x佇列偵測間隔計算一統計量，其中上述統計量係根據複數封包丟棄率的一移動平均而產生。設定第x+1佇列偵測間隔，其步驟包括：當上述統計量未高於一低封包丟棄率時，設定第x+1佇列偵測間隔為一長佇列偵測間隔，否則，設定第x+1佇列偵測間隔為一短佇列偵測間隔。最後，當上述統計量大於或等於一高封包丟棄率時，進行一使用者重置功能，其中上述使用者重置功能包括要求至 少一使用者啟動一連線服務網路移動管理程序。
本發明之另一網路閘道器重置方法之一實施例之步驟包括對第x佇列偵測間隔計算一統計量，其中上述統計量係根據一封包丟棄率的移動平均而產生。接者，設定次一佇列偵測間隔。當上述統計量大於或等於一門檻值時，進行一使用者重置功能，其中上述使用者重置功能包括要求至少一使用者啟動一連線服務網路移動管理程序。最後，當上述統計量低於上述門檻值，進行一閘道器流量預測功能，其功能包括估計一未來時刻的統計量，當上述未來時刻的統計量大於上述門檻值時，進行一使用者重置功能。
本發明另提出一網路閘道器之一實施例包括一處理器及一使用者溝通介面。上述處理器根據一封包丟棄率的移動平均計算一統計量，且依據上述統計量更新一佇列偵測間隔。使用者溝通介面則當上述統計量大於一高封包丟棄率時，要求至少一位使用一轉送封包功能的使用者啟動一連線服務網路移動管理程序。
圖2顯示應用本發明之封包流量管理方法200之流程圖。在本封包流量管理方法下，需轉送到其他閘道器的封包會暫存在一佇列內，此佇列內的封包流量會被觀察進而調整進入此閘道器的封包的數量。方法200應用了隨機提前檢視演算法(Random Early Detection；RED)或其相似的方法管理佇列。隨機提前檢視演算法或其相似的方法為當一用以暫存封包的佇列尚未被封包填滿時，隨機標示(mark)某些 封包，並計算封包標示率。當佇列被填滿以後，新進的封包會被丟棄，其封包丟棄率也會被計算。步驟S201中，當一佇列內儲存的封包超過一封包門檻值時，應用一隨機提前檢視演算法隨機標示封包，並計算一封包標示率，其中上述佇列暫存的封包其目標的為其他閘道器。步驟S202及S2023中，當上述佇列已無法儲存任何封包以後，丟棄每一新進封包並紀錄一佇列偵測間隔內之封包丟棄率，此封包丟棄率可視為轉送閘道器的負載指標，故可作為閘道器重置時機的參考資訊。
圖3顯示應用本發明之網路閘道器重置方法之流程圖。此方法可約略分為兩個階段(phase)：步驟S301到S302的佇列容量偵測階段及步驟S303到S304的使用者重置階段。在佇列容量偵測階段下，會依照封包的流量進行動態的偵測間隔調整。當閘道器負擔較重時，封包丟棄率會升高，則調整偵測間隔為較短的偵測間隔(Short Detection Interval；S_DI)，以便更加密切觀察閘道器的流量負載。當閘道器負擔較小時，封包丟棄率會減低，故可調整偵測間隔為較長的偵測間隔(Long Detection Interval；L_DI)。當閘道器之負載高到超過一程度以上時，便進入使用者重置階段。在使用者重置階段下，使用轉送封包服務的使用者會被要求進行連線服務網路移動管理程序，以減輕此閘道器的負載。在此階段下，佇列的負載仍會持續被偵測，若負載仍太高，更多的使用者會被要求進行連線服務網路移動管理程序。反之，若負載狀況已改善便可回到佇列容量偵測階段。上 述"使用者"代表使用轉送閘道服務功能的行動端(anchored MS)，以下為簡便說明，僅以使用者稱之。
本段詳述方法300的各項步驟。在步驟S301中，對第x佇列偵測間隔DDIx計算一統計量WMADR(x)，其中上述統計量WMADR(x)係根據一封包丟棄率(Drop Ratio；DR)的加權移動平均(Weighted Moving Average；WMA)而產生，其封包丟棄率可根據圖2的封包管理方法流程獲得。在本發明的較佳實施例中，統計量WMADR(x)的計算方式為 其中n為窗口(window)寬度，，DDIi為第i個佇列偵測間隔，Wi為第i個權值，DRi為第i個封包丟棄率。在本發明的實施例中，n的選擇可為一介於最大平均寬度MAX-DRs及最小平均寬度MIN-DRs之間的一自然數。其中最小平均寬度MIN-DRs係指至少需累積多少封包丟棄率的紀錄才取平均，以避免在資訊量不足下取的平均影響後續的判斷。特別是在於執行完使用者重置階段進入佇列容量偵測階段時，累積的封包丟棄率之數目若未達到最小平均寬度時，便不計算WMADR(x)。另外，WMADR(x)的計算最多僅取最新的MAX-DRs筆封包丟棄率作加權移動平均，以得到最接近目前封包丟棄率改變趨勢的數值。步驟S302中，設定第x+1佇列偵測間隔DDIx+1。當統計量WMADR(x)未高於低封包丟棄率L_DR(low drop ratio)且第x佇列偵測間隔DDIx的封包丟棄率DRx亦低於低封包丟棄率L_DR時，設定 第x+1佇列偵測間隔DDIx+1為一長佇列偵測間隔L_DI，否則設定第x+1佇列偵測間隔DDIx+1為一短佇列偵測間隔S_DI。在步驟S303及S304中，當統計量WMADR(x)大於或等於一高封包丟棄率H_DR(high drop ratio)時，進行一使用者重置功能，其中上述使用者重置功能包括要求至少一使用者啟動一連線服務網路移動管理程序。在本發明的一些實施例中，使用者重置功能可如圖4的流程圖所示。在步驟S401中，Ni個使用者會被選擇，且Ni個使用者會被要求啟動一連線服務網路移動管理程序，其中i為同一使用者重置功能400下，執行步驟S401的次數。步驟S402中，一重置偵測間隔(Relocation interval；RI)內之封包丟棄率DRRI會被檢查。步驟S403中，當一重置偵測間隔的封包丟棄率DRRI大於低封包丟棄率L_DR時，Ni+1個使用者會被繼續選擇，並要求上述Ni+1個使用者啟動上述連線服務網路移動管理程序，且Ni+1為一大於Ni的自然數。在步驟S404中，當上述重置偵測間隔內之封包丟棄率DRRI小於一低封包丟棄率L_DR時，設定第x+1佇列偵測間隔DDIx+1，並於下個佇列偵測間隔重新執行上述閘道器重置功能300。在本發明之較佳實施例中，N1可選擇自然數1，且Ni+1為Ni的2次方，即N i+1=(N i )2。
為使本發明之概念更易了解，以下列舉一方法300之實施方式，然本領域具有通常知識者應明白本文所列舉之數值僅為說明實施，並非用以限定本發明之實施狀況。在本實施例中，低封包丟棄率L_DR設定為10%，高封包丟棄率 H_DR設定為30%，長佇列偵測間隔L_DI設定為20秒，短佇列偵測間隔S_DI設定為10秒，最大平均寬度MAX-DRs設定為10，重置偵側間隔RI設定為5秒。圖5顯示在每個偵測間隔下的封包丟棄率，橫軸為時間刻度，方框內的數字為每一段偵測間隔DDIx/RI的一相對應封包丟棄率的加權移動平均WMADR(x)/DRRI，單位為百分比(%)。在時間點t3後，封包丟棄率30%大於等於高封包丟棄率，故進入使用者重置階段。在時間點t3-t4間，隨機選擇1位使用者，並要求此使用者進行連線服務網路移動管理程序。由於在此重置偵測間隔(時間點t3-t4間)的封包丟棄率DRRI20%高於低封包丟棄率L_DR10%，故在下一重置偵測間隔(時間點t4-t5)將再選擇其他使用進行連線服務網路移動管理程序。此次的使用者數目為前次使用者數目的2次方，即2人。使用者重置方法持續進行直到重置偵測間隔的封包丟棄率DRRI小於低封包丟棄率L_DR為止。在時間點t5-t6的DRRI為8%，故時間點以後t6的佇列偵測間隔變設定為長佇列偵測間隔L_DI。
圖6顯示依據本發明網路閘道器重置方法300的另一實施例。低封包丟棄率L_DR設定為10%，高封包丟棄率H_DR設定為30%，長佇列偵測間隔L_DI設定為20秒，短佇列偵測間隔S_DI設定為10秒，n為10筆資料，W1設定為1.0，W2設定為0.9，W3設定為0.8，以下依此類推。在時間點t9-t10時，所計算出來的WMADR(t10)會如算式(2)所示： 由於WMADR(t10)超過了H_DR30%，故時間點t10以後使用者重置功能會被執行。
圖7顯示另一網路閘道器重置方法700之流程圖，此方法之實施例更可進一步預測並調整一網路閘道器的封包流量，使網路閘道器的轉送服務量過重以前，先執行使用者重置機制來降低流量過大的情況，以提供良好的服務品質。步驟S701中，對第x佇列偵測間隔DDIx計算一統計量WMADR(x)，其中上述統計量WMADR(x)係根據一封包丟棄率的移動平均而產生，封包丟棄率可根據圖2的封包管理方法流程獲得，且統計量WMADR(x)可根據公式(1)產生。步驟S702中，設定次一佇列偵測間隔DDIx+1。當統計量WMADR(x)未高於低封包丟棄率L_DR(low drop ratio)，且第x佇列偵測間隔DDIx的封包丟棄率DRx亦低於低封包丟棄率L_DR時，設定第x+1佇列偵測間隔DDIx+1為一長佇列偵測間隔L_DI，否則設定第x+1佇列偵測間隔DDIx+1為一短佇列偵測間隔S_DI。在步驟S703到步驟S704中，當統計量WMADR(x)大於或等於一高封包丟棄率H_DR(high drop ratio)時，進行使用者重置功能，其中上述使用者重置功能略同於圖4所述，其細節在此略過。步驟S705中用意累積足夠數量的DRi資訊，以免過少的DRi資訊影響其後的閘道器流量預測。步驟S706到步驟S711進行一閘道器流量預測功能，其功能包括步驟S706估計一未來時刻的的封包丟棄 率統計量(x+S_PI)。在步驟S707中，當未來時刻的統計量(x+S_PI)大於高封包丟棄率H_DR時，進行使用者重置功能，此使用者重置功能略同於圖4。當未來時刻的統計量(x+S_PI)低於高封包丟棄率H_DR，但仍高於一中封包丟棄率(Medium Drop Ratio，M_DR)時，重新估計一第二未來時刻的的統計量(x+L_PI)。當第二未來時刻的統計量(x+L_PI)大於上高封包丟棄率D_DR時，亦執行使用者重置功能。在本發明之較佳實施例中，未來時刻的統計量(x+S_PI)計算方法如公式(3)所示： 。第二未來時刻的統計量(x+L_PI)的計算方式略同於公式(3)，在此略過不述。
為使本方法之概念更易了解，以下列舉一方法700之實施方式，然本領域具有通常知識者應明白本文所列舉之數值僅為說明實施，並非用以限定本發明之實施狀況。在本實施例中，低封包丟棄率L_DR設定為10%，中封包丟棄率設定為25%，高封包丟棄率H_DR設定為30%，長佇列偵測間隔L_DI，設定為20秒，短佇列偵測間隔S_DI設定為10秒，最大平均寬度MAX-DRs設定為10，重置偵側間隔RI設定為5秒。圖8顯示在每個佇列偵測間隔下的封包丟棄率。自時間點t5以後，每一段佇列偵測間隔DDIx都可產生一相對應封包丟棄率的加權移動平均WMADR(x)。在時間點t0-t5所計 算出來的WMADR(t5)會大於等於中封包丟棄率25%，故符合閘道器流量預測功能的執行條件。此閘道器流量預測功能可用以估計未來時刻的閘道器轉送服務量，以便於轉送服務量即將升高時，預先要求使用者進行連線服務網路移動管理程序，以便調整閘道器的轉送流量。
圖9顯示依據本發明之網路閘道器架構示意圖。網路閘道器90包括有一處理器902及一使用者溝通介面904。處理器902用以根據封包丟棄率的移動平均計算一統計量WMADR(x)，且依據上述統計量更新一佇列偵測間隔DDIx+1。使用者溝通介面904用以當上述統計量WMADR(x)大於一高封包丟棄率時H_DR，要求至少一位使用一轉送封包功能的使用者啟動一連線服務網路移動管理程序。在本發明的其他實施例中，網路閘道器90更包括一封包流量管理模組908。當一佇列內暫存的複數待轉送封包超過一佇列封包門檻值時，應用一隨機提前檢視演算法隨機標示封包。當上述佇列已無法儲存任何封包以後，丟棄每一新進的待轉送封包，並紀錄相對應佇列偵測間隔內之封包丟棄率。另外在本發明之較佳實施例中，網路閘道器90更包括一估計模組906，用以估計未來時刻的統計量(x+S_PI)或(x+S_PI)及(x+L_PI)兩未來時刻的統計量。
本發明提出的方法包括對過去一段時間轉送閘道器的封包流量進行分析，並且將分析結果通知轉送閘道器，作為要求使用者啟動連線服務網路移動機制的依據。在轉送閘道器負擔過大的情況下，可以透過連線服務網路移動機 制，將原本透過轉送閘道器負責轉送的連線變成由服務閘道器直接與連線服務網路進行連線。本發明同時提出預估未來流量的機制，在轉送閘道器即將負擔過重之前，先進行連線服務網路移動。在此情況下，閘道器不會因為負擔過重造成使用者連線品質受影響而產生通訊延遲的狀況。
本發明之技術內容及技術特點揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
CSN‧‧‧連線服務網路
ASN‧‧‧存取服務網路
HA‧‧‧本地代理
BS‧‧‧基地台
MS‧‧‧行動端
902‧‧‧處理器
904‧‧‧使用者溝通介面
906‧‧‧估計模組
908‧‧‧封包流量管理模組
圖1顯示存取服務網路及連線服務網路之架構圖及行動端漫遊及換手機制；圖2顯示應用本發明之封包流量管理方法流程圖；圖3顯示應用本發明之網路閘道器重置方法流程圖；圖4顯示應用本發明之使用者重置功能流程圖；圖5顯示依據本發明網路閘道器重置方法之一實施例；圖6顯示依據本發明網路閘道器重置方法的另一實施例；圖7顯示應用本發明之另一網路閘道器重置方法流程圖；圖8顯示依據本發明網路閘道器重置方法之一實施例；圖9顯示依據本發明之網路閘道器架構示意圖。

Claims (16)

  1. 一種網路閘道器之重置方法，其步驟包括：對一第x佇列偵測間隔計算一統計量，其中上述統計量係根據複數封包丟棄率的一移動平均而產生，x為一正整數；設定第x+1佇列偵測間隔，其步驟包括：當上述統計量未高於一低封包丟棄率時，設定上述第x+1佇列偵測間隔為一長佇列偵測間隔；及當上述統計量大於或等於上述低封包丟棄率時，設定上述第x+1佇列偵測間隔為一短佇列偵測間隔；以及當上述統計量大於或等於一高封包丟棄率時，進行一使用者重置功能，其中上述使用者重置功能包括要求至少一使用者啟動一連線服務網路移動管理程序。
  2. 根據請求項1之重置方法，其中上述封包丟棄率係根據一封包流量管理功能產生，上述封包流量管理功能包括：當一佇列內暫存的一待轉送封包數目超過一佇列封包門檻值時，利用一隨機提前檢視演算法隨機標示複數個待轉送封包，並計算一封包標示率，其中上述待轉送封包之目標地為其他網路閘道器；以及當上述佇列已無法暫存任何待轉送封包以後，丟棄每一新進待轉送封包並紀錄一相對應佇列偵測間隔內之封包丟棄率。
  3. 根據請求項1之重置方法，其中上述統計量標示為 WMADR(x)，，其中DDIi為第i個佇列偵測間隔，DRi為第i個封包丟棄率，Wi為第i個權值，且n為一自然數。
  4. 根據請求項3之重置方法，其中上述n為介於一最大平均寬度及一最小平均寬度之自然數。
  5. 根據請求項1之重置方法，其中上述使用者重置功能更包括：隨機選擇Ni個使用者，並要求上述Ni個使用者啟動上述連線服務網路移動管理程序，其中i及Ni均為一正整數；計算在一重置偵測間隔內之封包丟棄率；若上述重置偵測間隔內之封包丟棄率小於上述低封包丟棄率時進行上述閘道器重置功能，反之則繼續選擇Ni+1個使用者，並要求上述Ni+1個使用者啟動上述連線服務網路移動管理程序，其中Ni+1為一大於Ni的自然數。
  6. 根據請求項5之重置方法，其中N1為一自然數1，且Ni+1為Ni的2次方。
  7. 根據請求項1之重置方法，其中上述連線服務網路移動管理程序為一符合由國際電機電子工程師學會(IEEE)制定之802.16標準的移動管理程序。
  8. 一種網路閘道器之重置方法，其步驟包括：對一第x佇列偵測間隔計算一統計量，其中上述統計量係根據一封包丟棄率的移動平均而產生，x為一正整數；根據一低封包丟棄率及上述統計量設定第x+1佇列偵 測間隔；當上述統計量大於或等於一高封包丟棄率時，進行一使用者重置功能以要求至少一使用者啟動一連線服務網路移動管理程序；以及當上述統計量低於上述高封包丟棄率而大於或等於上述低封包丟棄率時，進行一閘道器流量預測功能以估計一未來時刻的統計量，當上述未來時刻的統計量大於上述高封包丟棄率時，進行一使用者重置功能。
  9. 根據請求項8之重置方法，其中上述閘道器流量預測功能更包括：當上述未來時刻的統計量大於或等於上述高封包丟棄率時，執行上述使用者重置功能；當上述未來時刻的統計量小於上述高封包丟棄率而一相對應的封包丟棄率大於或等於一中封包丟棄率，估計一第二未來時刻的統計量；以及當上述第二未來時刻的統計量大於或等於上述高封包丟棄率時，執行上述使用者重置功能。
  10. 根據請求項9之重置方法，其中上述未來時刻的統計量其計算方式為，其中S_PI為一第一預測寬度，DDIi為第i個佇列偵測間隔，DRi為第i個封包丟棄率，Wi為第i個權值，且n為一自然數。
  11. 根據請求項9之重置方法，其中上述第二未來時刻的統計 量計算方式為，其中L_PI為一第二預測寬度，DDIi為第i個佇列偵測間隔，DRi為第i個封包丟棄率，Wi為第i個權值，且n為一自然數。
  12. 根據請求項8之重置方法，其中上述封包丟棄率係根據一封包流量管理功能產生，其包括：當一佇列內儲存的封包超過一佇列封包門檻值時，應用一隨機提前檢視演算法隨機標示封包，其中上述佇列內儲存的封包之傳送目的地皆為其他網路閘道器；以及當上述佇列已無法儲存任何封包以後，丟棄每一新進封包並紀錄上述佇列偵測間隔內之封包丟棄率。
  13. 根據請求項8之重置方法，其中上述統計量為封包丟棄率的加權移動平均，其計算方式為，其中DDIi為第i個佇列偵測間隔，DRi為第i個封包丟棄率，Wi為第i個權值，且n為一自然數。
  14. 根據請求項8之重置方法，其中上述使用者重設功能更包括：隨機選擇Ni個使用者，並要求上述Ni使用者啟動一連線服務網路移動管理程序，其中i及Ni均為一正整數；計算在一重置偵測間隔內之封包丟棄率；以及若上述重置偵測間隔內之封包丟棄率小於一低次門檻值時進行上述閘道器重置功能，反之則繼續選擇Ni+1個 使用者，並要求上述Ni+1個使用者啟動上述連線服務網路移動管理程序，且Ni+1為一大於Ni的自然數。
  15. 根據請求項14之重置方法，其中上述N1為一自然數1，且Ni+1為Ni的2次方。
  16. 根據請求項8之重置方法，其中上述連線服務網路移動管理程序為一符合由國際電機電子工程師學會(IEEE)制定之802.16標準的移動管理程序。
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