確保系統資源不發生過載（Overload）並維持穩定是無線資源管理領域中重 要的議題，其中允入控制（Admission Control）會依據系統目前負載的狀況決定 新使用者使用系統的權力，可以達到部分控制系統資源的功能，但在使用者進入 系統後，系統負載可能因為某些資料流量型態（如封包交換模式）特性，或使用 者傳輸行為（如改變資料傳輸速率）等隨時間不斷變化，因此定期偵測系統負載 並進行控制，以避免過載與系統資源利用效率低落，在無線資源管理中我們稱為 負載控制（Load Control）。在這個範疇內，我們針對以封包交換模式之流量型態 的資料傳輸進行其負載的控制，此機制我們稱為封包排程（Packet Scheduling）。
6-1 簡介
封包排程的重要性，一則、達到負載控制的目的。在系統規劃的資源上限下，
妥善將提供給即時性服務使用者後的系統資源安排給封包資料使用，以避免過載 與提高系統效率（Efficiency），意義如圖6.1.1所示。
load
10ms Time
Max planned load
Load from real time connections Extra capacity can
be given to packet data users
圖6.1.1 負載控制示意圖
貳則、回顧本研究第三章關於數據資料流量特性的部份，如圖6.1.2 所示，
可知支援封包交換技術的數據資料產生時會以封包為單位，當該封包的資料傳送
完畢便等待下一個封包的資料被產生時才需再度傳送，而在沒有資料傳送的時 候，該使用者在數據通道（Data Channel）中便不發送訊號，因此對其他使用者 的干擾亦不存在。系統中此類型的使用者越多時，系統的負載越容易有脈衝
（Bursty）的現象出現，亦即系統負載的起伏變化越劇烈。若不對每位使用者傳 送資料的時間加以安排，會造成某段時間有許多使用者同時傳送資料，造成系統 負載大增，進而影響到某些使用者的連線品質；而另外一段時間可能都沒有使用 者在傳送資料，系統負載很低，卻造成資源浪費的情況。
Reading Time
Packet size
Packet arrival interval
Time Packet Call
圖6.1.2 支援封包交換技術的數據資料流量模型示意圖
三則、在於維持使用者的服務品質（Quality of Service, QoS），當系統對於 使用者的服務品質有不同等級時，會透過資料傳送優先權（Priority）的不同來保 障高服務品質需求的使用者可以充分得到所需要的資源，亦會評估系統負載的狀 況選擇對使用者而言最好的傳輸狀態以滿足對服務品質的要求。綜合以上所述，
我們可歸納封包排程的功能在於：
λ 偵測系統負載與封包安排的狀況
λ 依據每位使用者對於服務品質的要求決定其傳送的優先權 λ 決定封包資料使用者可利用的系統資源
λ 依據每位使用者的通道條件決定傳輸通道是否被其使用與決定其適當的傳 輸模式（適當的資料傳輸速率）
由封包排程的功能我們瞭解必須週期性的觀察系統負載與使用者最新的狀 況，重新安排使用者的傳輸狀態，其接收端點間的控制如圖 6.1.3。對封包流量 模型而言， 根據WCDMA系統訊框架構（Frame Structure）的定義[37]，每個訊 框（Frame）的長度為10ms，且展頻增益在同一個訊框內是相同的，而且在DPDCH
（Dedicated Physical Data Channel）中實際資料傳送是以訊框為單位，可知以訊 框為單位進行封包排程是合理且可行的。
BS Packet allocations
Packet allocations
Load measurements MS
BS Packet allocations
Packet allocations
Load measurements MS
圖6.1.3 封包排程系統示意圖
近幾年有許多探討無線環境中提供多媒體流量服務品質保證的文章，因為伴 隨2.5G（如GPRS），3G（如UMTS, cdma2000）系統的發展，這個問題也逐漸 被重視。像Naghshineh and Acampora [10][11]介紹不同服務種類在確保其服務品 質下資源分享的觀念與數學模型，還有Honig et al.[38][39]說明DS-CDMA系統 中數據傳輸的資源分配。上述文章間接從傳送與接收端的角度去詮釋有關封包數 據資料對系統資源影響的理論分析，而從無線資源管理角度來探討封包數據資料 傳輸的影響較少，有些如Abrardo et al.[40]提出平均分享系統資源的封包排程演 算法，Riccardo. et al.[41]說明系統對於即時性資料做預先保留的說法，即給予較 高的優先權還有Oriol Sallent et al.[42]提供保持服務品質下在WCDMA系統之無 線資源管理的架構，本研究以其為主要參考文獻研究演算法的設計。
分析各文獻我們觀察一些現象，一、平均分享資源雖有較高的資源分配公平 性但未針對使用者個別情況的不同給予不同資源的分配，會造成通道條件好者使 用較少的系統資源，而使整體系統使用效率下降；二、觀察演算法對系統與使用 者造成的效應時，需將其他演算法如功率控制、允入控制及換手轉換等一起作用 考慮，否則如功率控制的敏感度（Sensitivity）未考慮，會影響功率分配的成效；
三、使用者有不同的服務品質要求，為達到要求須決定使用者傳輸的優先權；四、
必須將系統實際規劃，如系統負載上限與準確的系統資源估算（負載係數或 NR 值）等參數作為演算法判斷的依據；五、降低演算法流程的複雜度（Complexity）。 我們將根據上述分析進行演算法的設計並從平均封包延遲（Average Packet
Delay）、系統運輸量（System Throughput）與訊框錯誤率（Frame Error Rate）等 效能指標（Performance Index）探討其對系統與使用者的影響與效能。在6.2節 我們將對服務品質、優先權與資源分配限制的理論與參數提出說明，6.3 節將提 出我們設計的封包排程演算法，最後一節將呈現相關的效能指標與結果。
6-2 排程程序（Scheduling Procedure）
在進行演算法設計之前，我們先根據前一節中對封包排程目的與功能的分 析，進一步說明系統中服務品質的分類與參數、使用者傳輸優先權的定義，最後 說明演算法設計時系統與使用者本身的限制條件。
6-2-1 服務品質（QoS）
根據UMTS規格書[14]與Harri Holma et al.[15]的論述，UMTS系統提供了 包括傳送語音為主的電路交換模式服務 (Circuit-Switched Service)，和傳送數據 為主的封包交換模式服務 (Packet-Switched Service)並區分為四種種類：
(1) 對話層級 (Conversational Class)：
以即時資訊 (Real-time)反應為導向，無傳輸延誤秒差，如語音、遠距醫療 和即時監測等，需要求最高的服務品質。
(2) 串流層級 (Streaming Class)：
可控制的傳輸品質和延誤狀況，應用在視訊相關服務範圍，如網路資訊廣 播、隨選視訊 (Video On Demand, VOD) 和球賽轉播等。
(3) 互動層級 (Interactive Class)：
位元錯誤率（Bit Error Rate, BER）較低，並且保證傳輸時間，如上網瀏覽 (Web Browsing) 服務等。
(4) 基礎層級 (Background Class)：
位元錯誤率較低，但無保證傳輸時間，如收發電子郵件 (E-mail) 等。
四種層級的服務其所需的服務品質各不相同，對於確保資料傳輸速率與否、
排程機制的必須性、資料流失率的要求與時間延遲的敏感度等我們整理於表 6.2.1中。從WCDMA空中介面（Air Interference）觀察使用者服務品質，其實現 的重點是將上述需求量化及尋求參考指標；例如可藉由滿足訊號的位元能量與干 擾密度比，E I ，達到確保每層級服務所要求的位元錯誤率；資料傳輸速率可b 0
由系統提供的種類來規範，其他相關的參數列於表 6.2.2。於本研究中針對語音 服務與網際瀏覽兩個服務種類作探討，所以於表6.2.2 詳細舉列該服務品質的相 對參數。接著將說明軟式服務品質（Soft QoS）的觀點，本研究是在藉由封包排 程的功能來保障非即時性服務使用者的服務品質，在此前提下不但瞭解規格書中 對於服務品質的定義並引用Oriol Sallent et al.[41]提到對軟式服務品質說法，即 封包於無線網路上是來自許多不同的來源加上傳輸路徑的時變性使得某些服務 品質在無線行動通訊中並不容易達到保證（Guaranteed）的程度，如延遲（Delay, 包括佇列延遲（Queue Delay）與傳輸延遲（Transport Delay））指標，即系統無 法要求資料在何時一定要傳到，而是使使者用者在可容許的延遲範圍內盡量達成 傳輸的工作。所以對於封包模式的服務，所要探討的是在預期的延遲範圍內有多 少百分比的封包傳送到與有多少百分比的封包延遲了。
Web browsing Voice
Interactive Conversational
QoS class
Guaranteed bit rate
Scheduling
Streaming
Example Video E-mail
Background
Yes, guaranteed bit rate No, best effort
Non-scheduling Scheduled by packet scheduler Research
Data loss rate High
requirement Low Higher
Guaranteed interactive quality
(a tolerate range) Delay tolerate
(Soft QoS) Small range No delay error High
表6.2.1 服務品質分類表
QoS Traffic Class
Bit Rate (kbps) BER E Ib 0 (dB) Interactive
(Web browsing)
384 Typical Delay
= 0.5 s 加入決定優先權的考量並以指數函數（Exponential）權重強調其重要性。而有關 使用者成本的問題，則是系統供應者應依據使用者付出的成本與申請服務的等級
Kp
6-2-3 分配限制（Allocation Constraint）
本節將說明資源分配的依據。當欲決定使用者可利用的系統資源時，必須觀 察系統負載與使用者本身效能是否得以滿足。首先，回顧第二章中的鍊路預算
（Link Budget），已對系統可容許的最大干擾功率，NRmax，與使用者最大傳輸功 率，Equivalent Isotropic Radiated Power 提出定義。換言之，當使用者欲在某種服務種類 下使用其中一種資料傳輸速率進行傳輸時，在滿足所需的位元能量與干擾密度比，
(
E Ib 0)
k,max
（Pilot Channel）對使用者的通道條件做出評估，則可知道使用者所需傳送的功 率大小，此值不能超過手機端本身的物理限制如(6.4)式： 的要求。在 DS-CDMA 系統中資料傳輸速率的選擇可藉由展頻增益（Processing Gain）[43]、展頻碼產生率（Chip Rate）[44]、編碼個數[45]與調變型式（Modulation
據的PR已經增加，即系統所受的干擾功率增加，欲維持相同的服務品質---位元 能量與干擾密度比，E I ，則每位使用者所需的訊號功率需加強，若忽略此現b 0 象會導致使用者功率分配的評估錯誤，造成使用者進行傳輸時因為實際干擾功率 大於分配使用者功率時所估算的值，如此會使使用者無法滿足服務品質的要求而 造成傳送資料錯誤，且需進行重傳（Retransmission）的機制，將造成封包延遲 的現象。Sallent et.al [42]利用重新計算的方式來估計PR與每位使用者的訊號功率 P ，即利用k (6.1)式的轉換先求得當目前欲分配使用者加入時，在之前被分配使用
據的PR已經增加，即系統所受的干擾功率增加，欲維持相同的服務品質---位元 能量與干擾密度比，E I ，則每位使用者所需的訊號功率需加強，若忽略此現b 0 象會導致使用者功率分配的評估錯誤，造成使用者進行傳輸時因為實際干擾功率 大於分配使用者功率時所估算的值，如此會使使用者無法滿足服務品質的要求而 造成傳送資料錯誤，且需進行重傳（Retransmission）的機制，將造成封包延遲 的現象。Sallent et.al [42]利用重新計算的方式來估計PR與每位使用者的訊號功率 P ，即利用k (6.1)式的轉換先求得當目前欲分配使用者加入時，在之前被分配使用