吞吐量

在上鏈環境中，吾人假設基地台和用戶設備之間的距離是固定的，並且每個 基地台都能正確地量測到每個子通道(subchannel)的信號干擾雜訊比(signal to interference plus noise ratio, SINR)，再根據這個 SINR 正確無誤地回傳給用戶設 備，以告知該選擇何種調變方式，而根據不同的 SINR 選用不同調變方式的技術，

2.3 分碼多重接取系統

CDMA 系統是目前應用仍十分廣泛的系統，諸如 UMTS 等，而由於 CDMA 系統被提出來的時候還沒有毫微微細胞的概念，所以當毫微微細胞的方案被提出 後，就勢必要對現存的系統作一個探討。CDMA 系統不同於以往的分時多重接 取(TDMA)系統與分頻多重接取(FDMA)系統，TDMA 系統是利用不同的時槽 (time slot)來分別不同的使用者；FDMA 則是利用不同的頻率來分別不同的使用 者；而吾人目前要探討的 CDMA 系統，是所有的使用者都使用同一頻率，但不

其中G為展頻增益(spreading gain)，利用(2.7)式與(2.8)式求得SINR之後，即可代 入到(2.6)式中，就可得到該上鏈環境中，此使用者可使用的吞吐量。為了清楚表

,

subject to

(2.12) 示FUE的SINR要大於等於SINR目標 ；(2.14)Γ 式則表示FUE經過通道到達MBS的 功率必須小於或等於 才行。要解上述的問題，吾人使用拉格朗日

(Lagrangian)函數來解，首先，將

budget

P

(2.11)~(2.14)式寫成：

2

其中λ 、 與 為拉格朗日乘子(Lagrangian multipler)且皆為非負的值

( 、 、 )， 表示

根據Karush-Kuhn-Tucker (KKT)條件，利用(2.16)式可列出以下的條件式：

( , , , )

0,

gain gain 0

( + gain ) ln 2

所以將情況①與②結合後，最終可以寫成一個封閉解：

圖 2.2 CDMA 最大上鏈吞吐量之 FUE 平均吞吐量，FUE 個數=80，MUE 個數=50

圖 2.3 CDMA 最大上鏈吞吐量之 MUE 平均吞吐量，FUE 個數=80，MUE 個數=50

圖 2.4 CDMA 最大上鏈吞吐量之全部 UE 吞吐量，FUE 個數=80，MUE 個數=50

2.4 正交分頻多重接取系統

正交分頻多重接取(OFDMA)系統是正交分頻多重(OFDM)系統的演變。

OFDM 是由大量正交子載波(Orthogonal sub-carrier)所構成的，每個子載波則進行 一般的調變方式，諸如：BPSK、QPSK 等。而用 OFDM 的好處是能夠有效對抗 由於多路徑問題所造成的頻率選擇性衰減(frequency selective fading)。至於 OFDMA 和 OFDM 不同的地方在於，OFDMA 可以讓使用者根據當時的情況選 擇通道狀況比較好的子載波，所以相對來說反而是更加利用通道頻率選擇的特 性。在實際的系統當中，會把數個子載波合在一起稱為一個資源區塊(resource block)，例如：在 LTE 中，一個資源區塊是由十二個子載波與七個符元(symbol) 所組成[16]、[17]，如圖 2.5 所示。

在本論文中，吾人假設一個 FUE 只使用一個資源區塊，而一個巨細胞中，

共有五十個資源區塊，故在 OFDMA 系統中，FBS 所收到的 SINR 可寫成：

其中κ為使用同樣資源區塊的集合。利用(2.28)式與(2.29)式求得SINR之後，即可 代入到(2.6)式中，就可得到該上鏈環境中，此使用者可使用的吞吐量。為了清楚

subject to

(2.33)

max, Pfi ≤P ∀ ∈ Fi

∈F (2.34)

gain( , ) , Pfi ⋅ i k ≥ Γ ∀i

(2.35)

0, budget,

fi i

P ⋅h ≤P ∀ ∈i F

上述問題的解法和前一節 CDMA 的部份極為相似，故在此省略。最後得到的結 果為：

budget max 0,

min( , )

fi i

P P P

= h (2.36)

在這個地方值得注意的是，上式僅表示當已經做好頻譜配置之後，該用多少的功 率才可使吞吐量達到最大，尚未提及 OFDMA 的頻譜該如何選擇，故頻譜配置 的方案，將在下一節作說明。

圖 2.5 LTE 資源區塊

2.5 測量報告與嗅探功能

為了讓 FUE 的吞吐量變大，同時又不影響到 MUE，故仔細地作資源配置是

必須的。由於 FBS 是每個用戶拿回家之後，可以任意地放在任何的地方，如果 資源配置是由 MBS 作中央控制的話，對 MBS 來說將是非常複雜的工作，因此 比較可行的方式是 FBS 必須要有自組織的能力，而在這個部分，吾人參考了一 些自組織的方案：測量報告(measurement report)與嗅探功能(sniffer function)[7]，

說明如下：

最大。

subject to

(2.40) OFDMA 系統的基本架構、SINR 表示方式以及功率配置，然後基地台即可根據 所收到的 SINR，通知用戶設備適合的調變方式。而為了要讓毫微微細胞的吞吐 量最大，卻不對巨細胞的吞吐量影響太大，故吾人介紹了測量報告與嗅探功能的 資源配置方案，測量報告是完全去感測四周資源區塊的干擾量大小，然後選擇干 擾量最小的資源區塊來決定；而嗅探功能則主要是避開與相鄰近的 FUE 使用同 一個資源區塊的情況。

第三章

新提出之分碼多重接取功率配置法

於此章，吾人將提出兩種可應用在 CDMA 系統的演算法，希望藉由功率配 置的方法，在不干擾到傳統網路 MUE 之情況下，使 FUE 有更好的效能，於電 腦模擬驗證吾人所提出之方法，可達到與最大上鏈吞吐量相近之結果。3.1 節將 說明此方法之動機；吾人提出之適應性功率配置法與嗅探功能適應性功率配置法 則分別在 3.2 節與 3.3 節說明；3.4 節將以電腦模擬呈現吾人所提出之方法的結 果；最後將在 3.5 節作一個小結。

3.1 動機

於 2.3 節中，吾人推導出 CDMA 系統功率配置方法之最大上鏈吞吐量結果

為min(P_max,P_budget h_0,i)，用此最大上鏈吞吐量方法的確可讓 FUE 的吞吐量到

達最大，但卻無法應用在實際系統中。誠如 2.2 節所提到的，實際系統必定是傳 送整數個位元的資料，故如果使用最大上鏈吞吐量方法的話，則可能使多餘的功 率對其他使用者造成干擾，舉例來說：假設現在量測到的 SINR 可以傳送 9.2 個 位元，然而在本論文中，最多就只能傳送 8 個位元而已，故多出來的功率事實上 將形成浪費，並且造成 FBS 或 MBS 的干擾。針對此現象，吾人將控制 FUE 之 發射功率，使其剛好使用適量之功率傳送即可，如此可減少功率的浪費，並進而 減少多餘的干擾產生。

3.2 新提出之適應性功率配置法

步驟 4：改變 SINR 目標值

3.3 新提出之嗅探功能適應性功率配置法

當FUE已確定與FBS建立連線之後，FUE就先用 的功率傳送給 FBS，FBS收到之後即可量出當下的SINR，再利用

正式連接通話 FUE 與 FBS 的通話，由於在通話的過程中，環境可能隨 時改變，故經過一段時間T之後，再重新進行步驟 1~步驟 4。

於步驟 3，將一定區域的 FBS 依照比例來分配 SINR 目標，故可讓原本對 MUE 干擾較大(即增益較小)的 FUE，用較低之速率來傳送，藉此來保護 MUE 的系統 效能。至於比例的分配方式則如表 3.3 所示，這個數據是根據 3.2 節之適應性功 率配置法跑出電腦模擬之後，依照相同的比例應用在這個地方來作比較。若將上 述演算法的步驟寫成流程圖，則如圖 3.2 所示。

3.4 電腦模擬

於此節，吾人會分成兩個模擬情況來探討，情況一是完全沒有做適應性調變 時，最大上鏈吞吐量方法與吾人新提出之演算法來做比較；情況二則是做了適應 性調變之後，最大上鏈吞吐量方法與吾人新提出之演算法來做比較。表 3.2 列出 了在模擬時會使用到的參數；表 3.3 列出模擬時，圖例說明(legend)的中英對照：

表 3.2 毫微微細胞 CDMA 系統電腦模擬參數

符號 描述 值

α 戶外路徑損耗常數 4

β 室內路徑損耗常數 3

ω 穿透損耗 5dB

f 載波 2000MHz

g 薛能差距 3dB

G 展頻增益 256

Pmax 最大發射功率 0.2Watt(23dBm)

S 天線靈敏度 -100dBm

budget

P FUE 對 MBS 最大忍受之干擾量 6x10^-12Watt

FUE 利用P 的功率傳訊息給 FBS，FBS 藉此量_fi

表 3.3 CDMA 模擬圖圖例說明中英對照

英文 Legend 中文圖例說明

Maximize Uplink Capacity of FUE 最大上鏈吞吐量 Adaptive Power Allocation 適應性功率配置法 Sniffer Function and Adaptive Power

Allocation

嗅探功能與適應性功率配置法

情況一：未使用適應性調變

於此，先觀察未使用適應性調變之結果，情況一的吞吐量計算方式是假設在 理想的情況下能夠達到最大的容量，意即利用薛能容量(Shannon capacity)公式算 出，如下式：

(3.3) log (12 SINR)

C = +

從圖 3.3 中可知，最大上鏈吞吐量的方法得到的結果是最好的，而吾人所提之方 法由於是限制在 8bits/Hz 的傳送速率之下，故必定無法超過 8bits/Hz。而嗅探功 能適應性功率配置法的 SINR 目標分配，是依照適應性功率配置法中 FUE 使用 的 SINR 目標比例來分配的，其分配的權重依表 3.4 所示。圖 3.4 為未使用適應 性調變時 MUE 平均吞吐量，可看出由於最大上鏈吞吐量的方法與嗅探功能適應 性功率配置法都有針對 MUE 而有所保護，故會比適應性功率配置法好；圖 3.5 為未使用適應性調變時全部 UE 的吞吐量。

圖 3.3 未使用適應性調變時 FUE 平均吞吐量，MUE 個數=50

圖 3.4 未使用適應性調變時 MUE 平均吞吐量，MUE 個數=50

圖 3.5 未使用適應性調變時全部 UE 的吞吐量，MUE 個數=50 表 3.4 嗅探功能適應性功率配置法 FUE 之 SINR 目標分配 SINR 目標 Γ₅ Γ₄ Γ₃ Γ₂ Γ₁ 比例

FUE 個數

W5 W₄ W₃ W₂ W₁

20 54.3% 25.88% 12.81% 5.08% 1.93%

40 52.5% 26.99% 13.26% 5.31% 1.94%

60 50.75% 27.84% 14.06% 5.38% 1.97%

80 49.12% 28.55% 14.78% 5.6% 1.95%

100 47.36% 29.38% 15.53% 5.76% 1.97%

情況二：使用適應性調變

於此部分，吾人考慮在實際系統中會應用適應性調變的機制，故吞吐量的計

算方式就如同 2.2 節的方式，針對不同的 SINR 使用不同的調變方式來傳送整數 個位元，圖 3.6 為考慮適應性調變時 FUE 平均吞吐量，若和圖 3.3 做比較可以發 現，吾人所提之適應性功率配置法反而比最大上鏈吞吐量的方法要來得好一些，

因此足可證明吾人方法之實用性，最下面的虛線為 FUE 皆使用相同功率來傳送 (即未作功率配置)時的表現，而每個 FUE 的功率是根據適應性功率配置法中 FUE 的平均傳送功率來作比較；圖 3.7 為考慮適應性調變時 MUE 平均吞吐量，可看 出由於最大上鏈吞吐量的方法與嗅探功能適應性功率配置法都有針對 MUE 而有 所保護，故會比適應性功率配置法好；圖 3.8 為考慮適應性調變時全部 UE 的吞 吐量；圖 3.9 為 FUE 平均發射功率，在這裡可發現，吾人提出之方法用了較小 的功率即可達到與最大上鏈吞吐量的方法差不多的結果。

圖 3.6 考慮適應性調變時 FUE 平均吞吐量，MUE 個數=50

圖 3.7 考慮適應性調變時 MUE 平均吞吐量，MUE 個數=50

圖 3.8 考慮適應性調變時全部 UE 的吞吐量，MUE 個數=50

圖 3.9 FUE 平均發射功率，MUE 個數=50

3.5 小結

於此章，吾人分別提出了可應用在 CDMA 系統的適應性功率配置法與嗅探 功能適應性功率配置法，並且與 2.3 節的最大上鏈吞吐量方法作比較，可發現若

於此章，吾人分別提出了可應用在 CDMA 系統的適應性功率配置法與嗅探 功能適應性功率配置法，並且與 2.3 節的最大上鏈吞吐量方法作比較，可發現若