前置式基地台切換之啟動演算法

PBSS m echanism

Active Set size = 2

Th_add

Add BS2 into Active Set

Data Transm ission by BS1 Data Transm ission over Air-Interface

Th_replace

Th_rem ove

Replace Active Set member BS1 by BS3

Remove BS3 from Active Set

Data Transm ission by BS2

Th_change

Change Anchor BS as BS2

Network pre-registration

Link Layer Handoff

Service interruption tim e

第五章前置式基地台切換之啟動演算法

本章將介紹在IP 為基礎之 OFDMA 系統中，本研究所提出適用於即時性服務之前置式基地台切換技術啟動演算法的設計。

5-1 前置式基地台切換之啟動演算法設計 前置式基地台切換啟動演算法

為了實現前置式基地台切換演算法，我們參考過去硬式換手技術和軟式換手技術[4,5,20]及 IEEE 802.16e 標準之研究[16],重新定義了本研究提出之演算法中的參數:

1. Candidate Set: preamble 可被 MS 接收到之鄰近基地台所形成的集合

2. Active Set: 在網路層已分配特定的 IP 位址給 MS，可接受 Anchor BS 傳送複製的MS 資料封包之基地台所形成的集合

3. Anchor BS: 在鏈路層真正和 MS 有資料收送的基地台 4. Target BS: MS 執行換手動作的對象

5. Active Set Size:網路層最大可容許同時建立連線之基地台數目。

圖 5-1.1 前置式基地台切換演算法

圖5-1.1 為前置式基地台切換演算法的流程，在實現演算法中，我們需要定義以下的變數, 並根據 pilot 的 RSSI(received signal strength indicator)來決定是否啟動以下的動作:

1. Th_add: (RSSI of Anchor BS)-( RSSI of Best Candidate Set BS) < Th_add, 就啟動Network Pre-registration 的動作，把 Candidate BS 加到 Active Set 中，

並透過DHCP 機置分配 IP 位址給此基地台。

2. Th_change: (RSSI of Best Active Set BS)–(RSSI of Anchor BS) > Th_change, 就啟動鏈結層的換手，把此Best Active Set BS 變成新的 Anchor BS.

3. Th_replace: 若此時 Active Set Size 已達上限，且(RSSI of Best Candidate BS)-( RSSI of Worst Active Set BS) > Th_replace, Best Candidate BS 就把 Worst Active Set BS 取代掉, 成為 Active Set 的一分子。

4. Th_remove: (RSSI of Anchor BS)-( RSSI of Worst Active Set BS) >

Th_remove, 就把 Worst Active Set BS 移出 Active Set。

其中Th_add 即為啟動 Network pre-registration 動作的條件，Th_change 為啟動 Link Layer Handoff 的條件。在第四章中提過，Network pre-registration 中，因為需要透過DAD 來確認 IP 位址沒有被其他 MS 所使用，NCMS 才能透過 DHCP 把位址分配給BS,此過程需要花費約 1.5 秒的時間，因此，必須適當的選擇 Th_add 的啟動條件，使得Network pre-registration 的動作能夠在 Link Layer Handoff 啟動之前完成，否則將造成服務中斷時間的增加。不過，當 Th_add 定的愈大，Best Candidate Set BS 愈早被加入 active set, 雖然可以確保 Network pre-registration 的提前完成，但此時Best Candidate Set BS 也愈早就佔據了一分網路端資源，造成資源的浪費。

圖 5-1.2 Network pre-registration 提前執行示意圖

如圖5-1.2 所示，我們將 Anchor BS 和 Best Candidate Set BS 之間 RSSI 的差從Th_add 變成 Th_change 的時間定義為 Tc, 此 Tc 會受到使用者移動性和遮蔽效應(shadow fading)的影響，而呈現一個隨機的分佈，因此，我們無法保證 Network pre-registration 的動作一定能夠提前在 Link Layer Handoff 啟動之前完成。T

D

為服務中斷時間(Service Disruption Time), 當 Network pre-registration 沒有提前完成時，T

D

= T

P

(Network pre-registration time)-T

L

(Link Layer Handoff), 造成 T

D

的增加，若 T

D

增加超過一個延遲的臨界值(Delay threshold), 就會開始把使用者的封包丟掉, 由此可知，Network pre-registration 動作若沒有適時的完成，將會造成使用者封包嚴重的遺失(loss)。

Network pre-registration 提前的動作一方面提早佔據住網路端的資源，一方面又因為 Tc 的隨機性而無法保證動作能夠如預期的完成，因此我們所提出的”

前置式基地台切換啟動演算法”，其主要精神在於:當 Link Layer Handoff 被啟動時，不管此時 Network pre-registration 的動作完成與否，都必須等待 Network pre-registration 作完後，才執行 Link Layer Handoff 的動作，如圖 5-1.3 所示。

BS1

BS2

Anchor BS is BS1

Pilot RSSI

t

Th_change Th_add

Pre-defined Threshold

T

= T

Data Transmission by BS1 Data Transmission by BS2 PBSS:

Link layer handoff will not be initiated until network pre-registration is completed

圖 5-1.3 前置式基地台切換啟動演算法

由圖5-1.3 可以看到，在 Th_change 條件滿足時，Network pre-registration 的動作還未完成，因此，Link Layer Handoff 的動作必須等待，直到 Network pre-registration 完成時才能啟動，如此，便可減少 Network pre-registration 沒有提前完成時，T

D

增加，造成使用者封包嚴重的遺失(loss)的情形。在等待的過程中, Anchor BS 訊號強度會隨之衰減，有可能會造成封包錯誤率(packet error rate)的上升，雖然錯誤率上升，但使用者仍有可能接受的到正確的封包，因此，我們預期其影響不會如封包遺失來的嚴重。

由前置式基地台切換啟動演算法來看，適當的設計 Th_add, 才能減少封包遺漏和封包錯誤的情形，因此，在下一節中，我們將提出預測式啟動演算法，以適當的決定Th_add。

5-2 預測式啟動演算法

Th_add 的啟動是根據 Anchor BS 和 Best Candidate Set BS 之間 RSSI 的差來決定。因此，我們定期的去對Anchor BS 和 Best Candidate Set BS 的 RSSI 作取樣，利用兩個 sample 點間的斜率預期兩者之間 RSSI 的差在 T

P

時間之後，會不會滿足Th_change 的條件，來決定此時是否要啟動 T_add 的動作，如圖 5-2.1 所示。

BS1

BS2

Anchor BS is BS1

Pilot RSSI

t

Th_change

T

T D = T

Data Transmission by BS1 Data Transmission by BS2 Link layer handoff will not be initiated until network pre-registration is completed First order

extrapolation criterion

圖 5-2.1 預測式啟動演算法

若預測的結果很準確，在啟動 Th_add 之後，經過 T

P

時間完成了 Network pre-registration，接著便會馬上進行 Link Layer Handoff, 由上一章我們對 Ranging 所提出的改進方法可知，只要2 個碼框的時間，就可以完成 Link Layer Handoff 的動作，因此，我們預期預測式啟動演算法可以在不增加額外的封包錯誤率及封包遺失的情況下，達到滿足支援即時性服務的目的。

在下一章中，我們將對本章所提出的方法作模擬，並提供模擬及分析的結果。

第六章模擬結果

建立一個符合實際情形的模擬環境才能正確的模擬系統的運作情形。在本研究中我們模擬的是一個使用者有移動性的封巢式無線通訊的系統。因此在6-1 節中將會先介紹模擬環境的設定及模擬時所使用的技巧，在6-2 節中則介紹模擬結果。

6-1 模擬環境的設定

在進行系統效能模擬時，我們通常會試著將環境變數簡化，但同時又希望兼顧準確性。因此考慮系統所處的真實環境，並使用適合的通道模型，是建立系統模擬環境時非常重要的一個步驟。我們參考 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)規格書所提供的參考資料[21]，依使用者的特性將系統運作環境歸類成三種典型：

室內/辦公室(Indoor Office Test Environment)

-此環境的特色在於基地台涵蓋範圍小，且訊號傳輸功率低。基地台與使用者幾乎是在室內固定不動的。路徑損失的主要原因來自於牆壁､樓板與金屬結構如隔板或儲櫃等，這些物體亦會造成遮蔽衰落的變化。根據量測的結果，室內的遮蔽衰落變化程度會是 Log-normal 的分佈，而標準差約為 12dB。

室內與室外間移動的行人(Outdoor to Indoor and Pedestrian Test Environment) -在此環境之中，基地台的涵蓋範圍與訊號傳輸功率亦不大。基地台被設置

於室外但樓層不高的位置，使用者則是位在建築物內､街上或是住宅中。

當使用者與基地台間有訊號直線傳輸路徑(Line Of Sight, LOS)時，路徑損失大致上會與兩者間距離的平方成反比。但當使用者離基地台更遠一點以致兩者間沒有訊號直線傳輸路徑(Non-LOS)時，且考慮建築物的轉角可能造成訊號的散射，此時路徑損失大致會與兩者間距離的四次方成反比。此環境中的遮蔽衰落變化經統計是以Log-normal 分佈，且標準差約為 8dB。

在交通工具上(Vehicular Test Environment)

-此環境的特色在於基地台涵蓋範圍大且訊號傳輸功率高。在都會區與市郊的環境中，路徑損失大約會與使用者和基地台間距離的四次方成反比，且遮蔽衰落變化幅度的標準差約為10 dB。在鄉間(Rural)的環境，由於地形變化較平緩，使相同間距時的路徑損失相較於都會或市郊都要來得低。若

是在山區，若將基地台佈放於適當的制高點可使路徑損失降至與距離的平方成反比。

在此環境中，由於多種無線通道(Wireless Channels)的效應[22][23]，依照其衰減的程度和形式可區分為以下三種:路徑損失(Path Loss)，遮蔽衰落(Shadow Fading)，多路徑衰落(Multi-path Fading), 接下來將分別介紹其模型。

路徑損失模型(Path Loss Model)

路徑損失模型是用來表現訊號於空間中傳播時，其強度會隨兩點間距離的增加而衰減。針對前一節所提到三種典型的系統環境，這裡提供了三種相對應的路徑損失模型給系統模擬時使用，分別如下所述[21]：

A.

供室內/辦公室環境使用之路徑損失模型：

((n+2)/(n+1)-0.46)

L = 37 + 30 Log10(R) + 18.3 n

其中 R 為訊號發射端與接收端兩點間的距離(公尺) n 為訊號在兩端間傳送時所穿過的樓層數

在此環境中所對應的遮蔽衰落變化之標準差約為12dB

B.

考慮行走於室內外行人之環境使用的路徑損失模型：

L = 40 Log10(R) + 30 Log10(f) + 49

其中 R 為訊號發射端與接收端兩點間的距離(公里) f 為訊號載波頻率(依各電信業者而有所不同,MHz)

此路徑損失模型適合在訊號沒有直線傳播路徑(Non Line-Of-Sight, NLOS)時使用。當使用者位在室內時，遮蔽衰落變化的標準差約為 12dB，而在室外時所對應的遮蔽衰落變化之標準差則為10dB。

C.

考慮使用者乘坐交通工具時的路徑損失模型：

L= 40(1-4x10-3Dhb)Log10(R) -18Log10(Dhb) + 21Log10(f) + 80 dB.

其中 R 為訊號發射端與接收端兩點間的距離(公里) f 為訊號載波頻率(依各電信業者而有所不同,MHz)

△

hb 為基地台的天線高度(相對於平均建築物高度,公尺)

一般而言，基地台天線位置的高度大約比平均周遭建築物高度超出15公尺，這是因為基地台普遍都是設於較高建築物的頂層所致。

遮蔽衰落模型(slow fading)

遮蔽衰落是因為在基地台與使用者間有較大阻隔，但隨著使用者之移動，

會漸漸離阻隔遠去，而不再對訊號造成遮蔽。

根據在真實的無線傳播環境中量測得到的結果，我們知道遮蔽衰落的變化程度統計起來是呈現 Log-normal 的分佈。因此在進行系統模擬且沒有考慮特定地形地物的情況時，我們會用一個呈現 Log-normal 分佈的隨機變數，來產生遮蔽衰落所造成的影響。此隨機變數的標準差則隨著所考慮的模擬環境而有所不同。

遮蔽衰落的自相關模型，其中最常被參考使用的便是 Gudmundson 所提出的模型[24]

Gudmundson 根據量測的結果提出的自相關模型如下：

2 | | /

( )

vT D D

R k a

a

σ ε

=

其中 R(k) 為兩取樣值之間的相關性

σ 為系統中統計遮蔽衰落變化得到的標準差 k 為兩取樣點所間隔的取樣次數

a 為兩取樣值間之相關常數(correlation coefficient) v 為使用者移動速度

T 為每次取樣的間隔時間

D 為經量測得知該環境之非相關距離(De-correlation Distance) ε 為兩取樣點相距為 D 時之自相關常數值

D

若將非相關距離定義成兩取樣點之相關性降至 1/2 時之距離，則 Gudmundson 的自相關模型可以修改成：

其中 ρ 為兩取樣點之間的自相關常數

Δ x

為兩取樣點所對應的距離(k

．

v) D 為經量測得知該環境之非相關距離

| | ln 2

( )

x

x e D

ρ Δ = ⁻ ^Δ

多路徑衰落模型

訊號在傳播時常是經過多次反射後才被接收到，因此會產生多路徑

在文檔中 B3G接取網路之無線資源管理技術-子計畫三：B3G OFDM多重接收系統設計及無線資源管理(II) (頁 39-56)

PBSS m echanism

Active Set size = 2

Th_add

Add BS2 into Active Set

Data Transm ission by BS1 Data Transm ission over Air-Interface

Th_replace

Th_rem ove

Replace Active Set member BS1 by BS3

Remove BS3 from Active Set

Data Transm ission by BS2

Th_change

Change Anchor BS as BS2

Network pre-registration

Link Layer Handoff

Service interruption tim e

第五章 前置式基地台切換之啟動演算法

D

D

P

L

D

D

BS1

BS2

Pilot RSSI

t

Th_change Th_add

Pre-defined Threshold

T

T

T

T

= T

Data Transmission by BS1 Data Transmission by BS2 PBSS:

Link layer handoff will not be initiated until network pre-registration is completed

D

P

BS1

BS2

Anchor BS is BS1

Pilot RSSI

t

Th_change

T

T

T

T D = T

Data Transmission by BS1 Data Transmission by BS2 Link layer handoff will not be initiated until network pre-registration is completed First order

extrapolation criterion

P

第六章 模擬結果

路徑損失模型(Path Loss Model)

A.

((n+2)/(n+1)-0.46)

B.

C.

△

遮蔽衰落模型(slow fading)

( )

R k a

a

σ ε

=

=

D

Δ x

．

．

| | ln 2

( )

x

x e D

ρ Δ = − Δ

多路徑衰落模型

第五章前置式基地台切換之啟動演算法

第六章模擬結果

ρ Δ = ⁻ ^Δ