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1.4 論文組織與架構
本論文共分為五個章節，各章節安排如下:
第一章 緒論
簡介 LTE 背景，OFDMA 與 SC-FDMA 架構，不同的訊框格式與資源塊 型式，以及研究動機與目的。
第二章 國內外相關研究
參考國內外相關研究，討論在 SC-FDMA 中資源分配的相關議題。
第三章 議題分析與研究方法
詳細分析所發現的問題，針對各問題提出相應解決方法的演算法。
第四章 模擬環境，與實驗數據分析
利用 NS3 模擬實驗結果，透過分析實驗數據，驗證所提出的方法是否能 有效提升整體系統效能。
第五章 結論與未來研究
總結文中所提出的問題，解決方法與未來研究方向。
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第二章 相關研究
在 LTE 上行鏈路系統中「連續性 RB 配置」的限制是個值得注意的議題。雖 然在 OFDMA 系統中並無如此限制，亦即在頻寬資源分配上的挑戰相對較低。
目前對於排程機制的研究主要集中在 LTE 下行鏈路系統中，如文獻[6][7][8][9]。
這些演算法確實改進了系統的整體效能，但是卻不適用於 LTE 上行系統中。在 本研究中，我們會先對 LTE 上行系統中排程相關文獻進行研究，並對這些研究 做一個簡單總結，說明其優點與缺點。
2.1 動態子載波分配(Dynamic Subcarrier Allocation)
當 UE 要傳送資料到目的端時，會發送 request 給 BS (Base Station)，BS 接 收到 request 後會針對要求進行排程並將適量的 RBs 配給 UE。UE 將資料傳到 BS 後再經由 BS 轉傳到目的端，如圖 2-1 所示。
圖 2-1 3G UTRAN 架構
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圖 2-2 LTE 資源排程運作圖
然而許多排程的相關研究大都會根據 UE 與基地台(eNodeB)之間的通道條件 作為分配資源的依據。圖 2-2 說明，對於 VoIP 的呼叫，基地台與 UE 的 MAC 層 會根據通道條件定期在下行與上行間於 Data Radio Bearer (DBR)傳送資料封包。
為避免 UE 正在進行資料傳輸時發生通道的嚴重衰減(deep fade)，在傳輸資料時 可藉由動態分配子載波資源以獲得較高的通道增益。為確保資料傳輸於子載波上 具有較佳的通道增益，目前任何分配演算法的主要目的是使用通道品質測量，以 獲得參數資訊，並分配適當的子載波資源給 UE。文獻[4]是假設具有完善的通道 估測和通道在時間領域變化緩慢的環境，並有足夠的時間進行資源分配和傳輸。
該作者提出之動態分配的目的是提供 UE 最好的資源以優化整個系統效能。每個 UE 將分配一個資源(在此資源的定義為群集(cluster)，由一個或多個 RB 組成)。
為了達到公平性，使每個 UE 均可獲得資源，所以每個 UE 分配到的 RB 數量是 M = N / U (子載波總數除以 UE 總數)。在不失一般性的條件下，假設具有足夠的 RBs 可以等分給所有 UE，而所有 UE 群集藉由通道估測所得到的群集子載波增 益將依序填入如式(1)的矩陣C 中。
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許配置一個群集且不允許重複配置。在多個 UE 情況下，為了最大化群集通道增 益的總合，可根據式(6)與條件式(3)(4)(5)以確保每個 UE 可擁有良好的群集通道 增益，來提升整體系統效能。
∑ ∑
(6) 其中 可視為成本值(群集通道增益)矩陣 C 的元素，
是選擇矩陣 S 中 的元素，選擇矩陣 為一個二進位變數，標明最終如何分配群集給每個 UE。每 列上標識選擇元素為 1 時表示分配此群集給該 UE，而且須符合一個群集只可被 分配給一個 UE，且不能重複分配的限制條件。上述提到的資源分配問題類似經 濟學中常討論到的指派分配問題(assignment problem)，也就是最佳化資源分配的 問題[10][13]，以降低成本。另外，在 2.2 節中將簡單說明常見的幾種資源分配演 算法[11][12][13]。
2.2 常見的資源分配演算法
Maximum C/I
此種資源分配方式為通道品質較好的 UE 可以得到較多資源的分配機會。因 為通道品質較好的 UE 頻率響應振幅的值會較高，固可以使用較高的調變等級，
使得 UE 的 throughput 提高。相對的，在通道品質較差的 UE，頻率響應振幅的 值也較差，所能得到的 throughput 也相對較低。為了增加系統容量，給予頻率響 應振幅較好的 UE 較多的排程機會，也就是增加 RB 的配置給通道佳的 UE。其 缺點是頻率響應振幅較差的 UE 得到排程的機率就變低，相對也造成 throughput 低，甚至可能因為通道品質太差而遲遲無法得到排程機會，導致餓死(starvation) 的情形發生。
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Round Robin
此種資源分配方式正好與 Maximum C/I 相對。無論 UE 通道品質好壞，每個
UE 均會輪流取得系統排程的機會，沒有優先順序(又稱循環排程)，不會有 UE 遲遲等不到資源的情形發生，可以避免餓死(starvation-free)的情形發生。循環排 程是最公平的一種方式，雖然作法簡單，容易實現，但是整體系統容量可能會因 UE 的頻率響應振幅較差而有所限制。
Proportional fair
Proportional fair 的資源分配方法是一種介於 Maximum C/I 與 Round Robin 間的妥協方式，希望在相互競爭的利益之間取得平衡，讓所有 UE 均至少有一個 服務的最低水平，在同一時間內，提升無線網路的系統 throughput。假設 表示在時間t 使用第 k 個 subcarrier 瞬間可達到的速率， 為第 i 個 UE 至該 時間t 接收資料 subcarriers 的平均速率，則 j 的值為下一個排程時間被選中的 UE 序號如公式(7):
(7) 其中N 為用戶總數，k 表示 subcarrier， ， 為第 i 個 UE subcarrier 的平均資料速率。這也是較公平的方式，由於 UE 會因為通道情況或系統容量調
整服務的對象，將其瞬間速率與其一段時間t 的平均值來指配，達到比例上的公
平。
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頻寬、時間延遲、以及保障位元速率(Guaranteed Bit Rate, GBR)提供服務的保證，例如:語音、圖像、視頻等多媒體服務是目前移動通信系統(UMTS)所面臨的主要
UTMS bearer service External bearer service
Radio bearer service
RAN access
bearer service Backbone bearer service
Radio bearer service CN bearer
service
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2.3.1 標準 QCI 屬性
QoS Class Identifier (QCI)是演進封包系統(Evolved Packet System, EPS)承載 重要的 QoS 參數之一。它是一個標示值，特性為衡量所提供服務資料流(Service Data Flow, SDF) QoS 的服務保證，每個 SDF 可用於 GBR 與 non-GBR 承載中。
在一個 IP Connectivity Access Network (IP-CAN)中的多個 SDF，若具有相同的 QCI 和 ARP 值，可以視為一個單獨的服務集合來處理，這就是 SDF 集合。表 2-1 為 EPS 系統定義的標準 QCI 屬性，所有的 QCI 屬性均可由營運商根據實際需求 預先配置在基站上，這些參數決定了無線承載資源的配置。上述標準 QCI 參數 屬性描述了一個 SDF 集合與所對應的數據封包傳送處理的特性[3]：
• QoS Class Identifier (QCI)：用來決定承載級別的保障位元速率值(GBR)相 關的網路資源能否被固定配置。GBR 的 SDF 集合需要動態的資源配置策 略與計費流程控制。非保障位元速率(Non-guaranteed Bit Rate, Non-GBR) 的 SDF 集合可以只透過靜態的資源配置策略與計費流程控制。
• Allocation Retention Priority (ARP)：用來分類相同 UE 與不同 UE 的 SDF 集合。每個 QCI 都與一個 ARP 優先權值相互關聯，優先權值為 1 者視為 最高的優先權級別。依此類推，優先權值越大優先權級別越小。
• Packet Data Budget (PDB)：用於表示數據封包在 UE 和 Packet Data Network Gateway (PDN-GW)之間可能因為干擾因素而被延遲的時間。引 入 PDB 參數的目的是支持 time domain 和鏈路層(Link layer)功能作為在 未來資源配置上的參考。
• Packet Error Loss Rate (PELR)：定義為已經被發送到 Link layer 處理但未 被接收成功傳送到上層服務資料單元(Service Data Unit, SDU)的比率。因 此，PELR 參數實際上說明了在網路非擁塞情況下封包遺失率的上限。
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Priority Packet delay TCP-based (e.g., www, email,
chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.) 7 7 100 ms voice, gaming
(living streaming, interactive gaming)
8 8 300 ms gaming (buffered streaming) TCP-based
(e.g., www, email, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video,
etc.)
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F. Calabrese [11]
根據各個 UE 的 SNR 值做適 Maximum C/I 與 Round Robin 間達到妥協，降低餓死的情況
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數於排程器中並與無線管理資源(Radio Resource Management, RRM)間的各種協 定相互作用並進行適當的排程，以符合實際網路服務需求。 QoS parameters Admission controlCSI
UL grant: PC commands, UE to PRB mappping, allocation of TBS, etc.
圖 3-1 排程與適應性連結在無線電資源管理間運作示意圖[11]
SRS : Sounding Reference Signal CSI : Channel Stat Information PC : Power Control
ATB : Adaptive Transmission Bandwidth AMC : Adaptive Modulation and Coding OLLA : Outer Loop Link Adaption CRC: Cyclic Redundancy Check RRM: Radio Resource Management
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3.1.2 通道品質不佳的允入控制
在無線網路傳輸過程中，基地台傳輸資料前會測量通道品質，再根據通道
品質的好壞決定不同等級的調變(modulation)。在上行 LTE 中在進入網路時會透 過參考信號 SRS (Sounding Reference Signal)幫助基地台做排程的動作。基地台根 據上傳的 SRS 量測通道品質好壞，再將這些測量值根據網路自適應技術(link adaption)配置不同的調變，當作排程的依據。一般排程的允入控制為了有效分配 剩餘頻寬，僅考慮剩餘頻寬的分配，而沒有將通道品質一併納入考慮，造成封包 在通道品質狀況不佳時傳送錯誤率提高，導致封包重傳次數增加，傳送時間延長，
最終超出封包的限制時間變成無效封包而浪費頻寬資源。另一個考量是通道品質 狀況，圖 3-2 說明 SINR 與 CQI 的對應關係。若 SINR 值愈高，用來表示通道品 質指標(Channel Quality Indicator, CQI)的值也愈高，若 CQI 值愈高，可以使用較 高的編碼速率進行調變傳送，亦即一個 RB 所能攜帶的資料量就會變多，相同大 小的資料量可以用較少的時間傳送完成，如表 3-1 所示。因此在允入控制時檢查 通道品質及是否允許通道品質差的連線進入。
圖 3-2 SINR 與 CQI 對應示意圖[10]
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CQI index Modulation Code rate × 1024 Efficiency (bit/RE)
0 out of range 中採用傳統的通道相依排程演算法(Channel Dependence Schedule, CDS)，蒐集所 有使用者通道狀況的資訊，讓通道較佳的使用者能優先分配到資源塊(RB)來進行
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3.1.4 動態配置的資源塊仍可能浪費頻寬
固定大小分配資源並無法有效適應不同等級的網路服務需求(QoS)。在文獻 [10][13]的方法中，使用固定載波動態資源分配法，讓每個 UE 可以得到固定的 載波資源，以避免局部 UE 偏袒，佔用過多資源，違反公平(fairness)原則。如此 無論資料需求量大或小的 UE，所配置的資源均一樣，但可能造成部分資料量需 求大的 UE 分配不到足夠資源，導致 UE 延遲時間過長，無法於時間內得到所需 資源。目前已有許多研究[12][13]依據通道品質狀況適應性動態的調整資源的分 配以提高頻寬使用率，但絕大多數研究並未對 QoS 等級中保障位元速率(GBR) 承載與非保障位元速率(Non-GBR)承載兩大類型進行頻寬的有效分配。因此如何 在 QoS 等級限制下選擇好的資源分配方式，並且何時需要加以調整，是我們要
固定大小分配資源並無法有效適應不同等級的網路服務需求(QoS)。在文獻 [10][13]的方法中，使用固定載波動態資源分配法，讓每個 UE 可以得到固定的 載波資源，以避免局部 UE 偏袒，佔用過多資源，違反公平(fairness)原則。如此 無論資料需求量大或小的 UE，所配置的資源均一樣，但可能造成部分資料量需 求大的 UE 分配不到足夠資源，導致 UE 延遲時間過長，無法於時間內得到所需 資源。目前已有許多研究[12][13]依據通道品質狀況適應性動態的調整資源的分 配以提高頻寬使用率，但絕大多數研究並未對 QoS 等級中保障位元速率(GBR) 承載與非保障位元速率(Non-GBR)承載兩大類型進行頻寬的有效分配。因此如何 在 QoS 等級限制下選擇好的資源分配方式，並且何時需要加以調整，是我們要