蜂巢式 OFDMA 系統
無線通訊系統的容量限制有相當大的比重是受到同頻干擾(Co-Channel Interference)所影響。OFDMA 系統亦然。因此在準備討論 OFDMA 系統容量之 前，在此章節先討論幾個影響系統容量的重要參數，而這些參數也都與系統干擾 的管理有關係。
在無線通訊的環境裡，可供使用的頻寬相當珍貴且有限，因此採用蜂巢式的 細胞架構來實現頻譜重複使用(Frequency Reuse)的目的，示意圖如下
圖 (3.1)蜂巢式架構示意圖
而在蜂巢式的架構下，頻率重複使用係數(Frequency Reuse Factor)的大小影 響了同頻干擾的程度。當頻率重複使用係數越高的時候，表示一個細胞群組 (cluster size)內的細胞個數越多，好處是同頻干擾的距離增加，能有效降低同頻 干擾，缺點是在固定頻譜的前提下，每一個細胞所分到的頻譜降低，造成集群效 率(trunking efficiency)下降；反之，表示細胞群組內的細胞數越少，好處是固定 頻 譜 前 提 下 ， 每 一 個 細 胞 分 到 的 頻 譜 較 高 ， 有 較 高 的 集 群 效 率(trunking efficiency)，缺點是同頻干擾距離較近，受到同頻干擾的影響增加。
Cellular OFDMA systems are expected to provide broadband radio access for
mobile terminals
Base Station
Base Station
Base Station Base Station
Base Station Base Station
Base Station Base Station
Base Station Base Station
Base Station
Base Station
Base Station
同頻干擾與頻率重複使用係數的關係可以用圖(3.2)與式(3.1) (3.2)說明之：
D-R，D-R，D+R，D+R，D，D：
( ) ( )
上鏈路： (guaranteed coverage)前提下，必須滿足使用者在細胞邊界也能得到系統的服務，
也就是最遭情況設計(worst case design)。換句話說，考慮滿足使用者在邊界也至 少可以得到系統的基本服務(basic service) ~ 如 QPSK (1/2 code rate)前提下，其所 用係數為１，擁有最佳的集群效率(trunking efficiency)。再透過良好的無線資源
管理演算法設計，提高系統資源的使用效率，在保證系統服務品質的前提下，透 過各種演算法有效地利用系統資源，達到較傳統窄頻系統更高的系統容量。
WCDMA 系統在時間-頻率-編碼空間的頻寬分佈如圖(3.3)。
Power
= Codes with different spreading
Time Frequency
4.4~5.0 MHz
10 ms
圖 (3.3) WCDMA 系統在時間-頻率-編碼空間的頻寬分佈
以OFDMA 的系統特性來看，類似於傳統的窄頻 FDMA 系統，其頻率重複 使用係數的設計考量是否如同傳統窄頻系統一般，或是有不同於傳統窄頻FDMA 系統之特性，而有機會採用如同WCDMA 一般的寬頻系統所使用的頻率重複使 用係數為１，來提高系統的集群效率(trunking efficiency)與實現在 OFDMA 系統 中軟性換手技術的可能性。在往後的章節會提供一些可能的做法並且利用研究分 析的結果討論實現的可能性。
通道重置技術
在上一節中，討論了頻率重複使用係數與同頻干擾的關係，也提到了傳統的 窄頻系統與寬頻系統就頻率重複使用係數(frequency reuse factor)選擇的差異性。
其中也提到了不同的頻率重複使用係數對系統的影響。
對 OFDMA 系統而言，每一個子載波的頻率寬度都小於通道中的同調頻寬 (coherence bandwidth)，就一般的定義可視為窄頻的系統。在上一章節中，我們 提到了傳統的FDMA 窄頻系統必須使用最遭情況設計(worst case design)，也因 此頻率重複使用係數必須大於１以上。進一步的討論原因，最主要是在做系統規
ch2 ch3
ch2 ch3
chN-2
chN-2 chN-1 chN-1 chN
chN
ch2 ch3
ch2 ch3
chN-2
chN-2 chN-1 chN-1 chN
chN
Upllink
圖 (3.4)傳統 FDMA 窄頻系統上下鏈路通道碰撞示意圖
所以由上圖可知，系統設計時必須考慮完全碰撞時，即使使用者身在細胞邊 緣時，依然可以得到系統基本的服務，稱這樣的設計考量為最遭情況設計(worst case design)。而其中使用這樣的設計理念最重要的原因就是通道在不同的細胞之 間定義完全相同，造成同頻細胞互相之間通道一但被佔用，其他同頻細胞內的同 一通道即完全碰撞，無可避免。
OFDMA 系統異於傳統 FDMA 窄頻系統為一個多載波的系統，在第二章中 我們也介紹了子通道形成方式分為”相鄰”與”分散”兩種形式，其中也有類似傳統 FDMA 窄頻系統一樣的特性，可以定義子通道在不同細胞間為相同的模式，稱 為固定式通道模式。示意圖(3.5) (3.6)如下：
Cell j
Cell m 圖 (3.5)相鄰子通道形成方式之固定式通道模式
Cell j
Cell m 圖 (3.6) 分散子通道形成方式之固定式通道模式
另外根據多載波的特性，當子通道形成方式為分散式的情況下，可以定義子 通道在不同細胞間為相異的模式，稱為重置式通道模式。示意圖(3.7)如下：
圖 (3.7) 重置式通道模式
… … … …
……
SCH 0 SCH 1 SCH 2 SCH 3 SCH N
… … … …
SCH 0 SCH 1 SCH 2 SCH 3 SCH N
…
…
…
…
Cell j
Cell m
. . .
由此可知，OFDMA 系統如果採用固定式通道模式，則其選擇頻率重複使用 係數的設計模式就會類同於傳統 FDMA 窄頻系統。但是透過重置式通道模式，
OFDMA 系統將有如以往跳躍式寬頻系統(frequency hopping spread spectrum system)一般，有將同頻干擾作平均化(average co-channel interference)的效果，同 時也可以定義處理增益(PG, Processing Gain)，以上將詳細說明如下：
當 OFDMA 系統採用置換式的子載波模式，一個可以觀察到的現象就是細 總干擾的平均量。這樣的概念就是跳躍式展頻系統(frequency hopping spread spectrum system)與直接序列展頻系統(direct sequence spread spectrum system)的 中心思想。
跳躍式展頻系統(frequency hopping spread spectrum system)可以視為窄頻傳 輸訊號欲實現平均同頻干擾(average co-channel interference)目的所採行的方式。
透過不同使用者間的跳頻性團(hopping pattern)，使用者會在每一個跳頻周期內，
選擇不同的載波傳送窄頻訊號，其跳頻的範圍超過通道的同調頻寬(coherence bandwidth)，因此根據定義為一個寬頻的系統。以長時間的平均觀察，使用者並
2k 總跳頻範圍數，定義為處理增益(processing gain) (Ex.23=8)
而直接序列展頻系統(direct sequence spread spectrum system)則是直接將欲 傳送的訊號展頻在整個頻譜，也因此在傳送的過程中是一個寬頻的訊號。每一個 欲傳送訊號的使用者都在同一頻帶上傳送，每個使用者的訊號功率皆是構成其他 使用者干擾的因素。但在傳送端解展頻之後，訊號只受到部份的干擾。而最終受 到的平均干擾量取決於展頻係數(spreading factor)，其定義為頻碼產生率（Chip Rate ,W）及資料傳輸速率（Data Rate, R）的比值表示為
SF = W R
，如下示(3.4)：o total total total
E S S S
Nsubcarriers
sub_bands
Each sub_band consists of Nsubchannels subcarriers
Sub_band Q
Sub_band 0 Sub_band 1 ………. ………..
0 1 2 3 4 5 ? ? Nsubchannels-1
Sub-band Nsubcarriers-1
…………
由上圖可知子頻寬個數(Nsubcarriers)就是子通道內之子載波個數。而每個子頻 寬內之子載波個數就等於總子通道數(Nsubchannels)。同一細胞內的子通道在子頻寬 內不能挑選重複的子載波，因此（Nsubcarriers ·Nsubchannels）就是系統內總子載波數。
由上述的步驟，可知每個子頻寬內任一特定子載波組成某一特定子通道，而 子頻寬內Ｎsubchannels 根子載波上的接收功率來自Ｎsubchannels 個在不同的同頻細胞 中被分配使用的子通道。這些子通道會根據使用者的位置以及使用者的服務需求 而被分配不同的功率。所以在傳送端觀察子頻寬內從某個同頻細胞來的每根子載 波上的傳送功率大小不一，傳送的過程經過通道的影響之後，從某一個特定的同 頻細胞內，無論是上下鏈路，所接收到的功率，就其中一個子頻寬為例子來看，
其子載波上的接收功率分佈也是大小不一的。下鏈路示意圖如圖(3.9):
圖 (3.9)下鏈路各子頻寬之子載波接收功率示意圖
上圖表示接收端在下鏈路觀察某一特定的子頻寬，其來自不同的同頻細胞之 子載波接收功率分佈示意圖，所以只要使用者是均勻分布(uniformly distributed) 在系統中，便可以推論接收端觀察此子頻寬內的子載波，其平均接收功率分佈來 自各個不同的同頻細胞之總量一致，此性質等同於白色雜訊(white noise)。換言 之，每一根子載波上的功率對同頻使用者的影響等同於散佈在整個子頻寬之內，
Serving BS
MS
? ...
? ...
? ...
? ...
? ...
? ...
因此無論是挑選哪一根子載波來觀察，其接收功率為每一根子載波上功率的平均 量。
而透過這樣的做法所達到的”平均同頻干擾”的過程與想法與跳躍式展頻系 統(frequency hopping spread spectrum system)是相似的，也因此在一些文章中直接 稱OFDMA 系統中引入”重置式通道模式”亦屬於跳躍式展頻系統[11]。
另外在子頻寬內所有的子載波接收的功率分佈都可以近似為高斯分布 (Gaussian Distribution)。所以根據上兩段落的論證，可以將同頻干擾視為”白色高 斯雜訊”(White Gaussian Noise)。因此透過實體層在不同的調變機制(modulation scheme)與編碼率(code rate)之下，模擬之位元能量與干擾密度比值（Bit Energy to Interference Density ratio）
0
E
bI
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
，定義處理增益(processing gain)如式(3.5)：其中sub band
S
subchannels subchannels
subcarrier c m c m sub band
b
sub band sub band
c m
subchannels subchannels
E E
所以透過”重置式通道模式”，可以達到如同跳躍式展頻系統與直接序列展頻 系統對同頻干擾平均化的目的。因此在選擇頻率重複使用係數(frequency reuse factor)的設計不需要應用最遭狀況設計(worst case design)，有機會達到頻率重複 使用係數為１的目標。而頻率重複使用係數為１除了有最佳化的集群效率之外 (trunking efficiency)，針對其他無線資源管理演算法的設計上也有一些好處，例 如軟性換手技術在 OFDMA 系統實現的可能性等。因此在論文當中除了會提出 在 OFDMA 系統容量計算的分析方法之外，也會討論頻率重複使用係數為１在 OFDMA 系統實現的可能性。
交換式波束成形技術
波束成形技術應用在智慧型天線系統(smart antenna systems)[12]，而智慧型 天線系統在無線通訊的環境裡，在系統架構不變的前提下，有提高系統效能的功 用。
1. 增加細胞涵蓋的半徑：
以下鏈路為例，在基地台使用了智慧型天線，使得傳送端有天線增益可 以增加有效傳輸功率(EIRP,Equivalent Isotropic Radiated Power)。在鏈路 預算的過程中，等同增加最大可容忍的路徑損失(Max. Allowable
Propagation Loss)，因此可以增加細胞涵蓋的半徑。
2. 細胞涵蓋半徑的增加，在系統佈放初期，可以有效降低佈放成本：
在一定的區域範圍內，可以使用更少的基地台即可涵蓋整個範圍，能有 效降低成本。
3. 能增加系統的穩定度，減低系統對於非線性行為的敏感度：
以上鏈路 CDMA 系統為例，在使用者上傳訊號的過程中，能有效隔離 其他同頻使用者訊號的干擾，在空間上過濾其他干擾訊號的影響(Spatial Filtering)。因此在傳送端可以以較小的功率來滿足相同的服務需求。同 時也可以降低功率控制出現錯誤時，對系統造成的影響。
4. 透過多路徑的管理，可以有效改善連線品質(link quality)：
多路徑(mlti-path)會造成系統的訊號延遲或是衰落，智慧型天線系統能幫
多路徑(mlti-path)會造成系統的訊號延遲或是衰落，智慧型天線系統能幫