效能評估方式

接下來為了評估整個系統的好壞，我們選定了薛能通道容量理論(Shannon Capacity Theorem)來作為評估的標準，其公式如下：

(3)

其中的 W 為所使用的頻寬(Bandwidth)，單位為赫茲(Hz)；SINR 則是訊號與干擾雜

第三章.

相關研究

3.1. 部分頻率複用

頻率複用機制(Frequency Reuse)是一種與異質性網路相當適合共存的一種技術，其 主要的概念就是讓相鄰的基地台使用不同的頻帶，藉此達到干擾消除的目的。如圖三以 我們的系統模型為例，相鄰的基地台互相錯開始用不同的頻帶，彼此之間的干擾便能減 輕；在此我們可以知道分割的頻帶至少需為三段才保證相鄰的基地台不互相造成干擾，

也因此三段頻率複用為較常見的形式。

圖三 頻率複用機制示意圖

但是在使用頻率複用機制時，對於頻寬的利用率其實相當低，以圖三的例子來講，

可使用的頻寬降為只有原本的三分之一，浪費掉了一半以上的頻寬，因此部分頻率複用 機制(Fractional Frequency Reuse，FFR)便被提出來改善這個情形；部分頻率複用機制的

觀念如其名，就是選擇本來系統較容易受到干擾的部分作頻率複用，通常為基地台覆蓋 範圍互相重疊的邊界地帶，我們將這個部分稱為邊緣區域(Cell-edge Area)，為圖中非白 色的區域；而系統較不容易受到干擾影響的覆蓋範圍中心區域(Cell-center Area)則繼續 採用本來的頻帶，也就是全部的頻帶，如此一來不但可以改善鄰近基地台造成的干擾問 題，頻譜的利用率也不至於太低，如圖四所表示。

圖四 部份頻率複用示意圖

部分頻率複用機制最早被提出的兩個模型為軟頻率複用機制(Soft Frequency Reuse，

SFR)以及分段頻率複用機制(Partial Frequency Reuse，PFR)。軟頻率複用機制主要的做 法是先將整個頻譜分成三部分，大小為整體可用頻譜的三分之一，每部份分配給相應的

圖五 兩種部份頻率複用的機制示意圖

3.2. 使用部分頻率複用實現毫微微基地台間干擾消除

利用部分頻率複用來協調干擾的方法其實就是在布置毫微微基地台時，盡量地使用 沒有被用過的頻帶，但因在某些模型下，並沒有不被使用的頻帶，因此在這些情況下只 能盡量避開使用高功率的頻帶，藉此降低所受到的干擾。圖六為[7]所提出的四種用來減 輕基地台間干擾的模型。

圖六(a)為三段頻率複用模型，此模型中宏基站純粹使用基本的頻率複用，將頻率分 成三段給指定的扇面所使用；毫微微細胞就使用自身所在扇面沒使用到的頻帶，因而將 干擾消除。圖六(b)為軟頻率複用模型，在宏基地台的部份實行的是軟頻率複用；毫微微 基地台的部分由於軟頻率複用中並沒有空閒的頻帶可以使用，所以只能挑選功率較弱的 白色區頻帶來布建我們的毫微微基地台以盡量減輕干擾。圖六(c)的部分則是分段頻率複 用模型，宏基地台的部分使用的為分段頻率複用，毫微微基地台的部分由於分段頻率複 用模型有沒利用到的頻帶，因此毫微微基站便可以挑選這些空閒的頻帶來使用。圖六(d) 為部份軟頻率複用模型，這個模型結合了分段頻率複用與軟頻率複用的觀念，使得整個 頻帶被分成兩段，一段不執行頻率複用，另一段實行軟頻率複用。

圖六 [7]所提出之四種部份頻率與毫微微基地台共存之模型

同時[7]也對這些方法實際地去進行模擬比較；圖七為[7]模擬的結果，其顯示了當 毫微微基地台的數量逐漸增多時，系統平均用戶吞吐量的值。我們可以看到幾乎不管毫 微微基地台的數量為何，軟頻率複用機制的吞吐量都是最高，只有在毫微微基地台數量 十分少的情況下才會小於完全不做頻率複用；其他像是三段頻率複用、部份頻率複用以 及部份軟頻率複用的效果皆不如軟頻率複用，也因此軟頻率複用為現今較為常見的部份 頻率複用技術。

圖七 [7]所模擬的結果，Reuse-1 為不做頻率複用，Reuse-3 為三段頻率複用，

SFR 為軟頻率複用，PFR 為分段頻率複用，SFFR 為部份軟頻率複用

第四章.

主要利用軟頻率複用作為基礎，並對其無法解決宏基地台與中心區域毫微微基地台間的 干擾以及毫微微基地台互相的干擾此兩個面相做改善。

為了實行部分頻率協調機制，我們根據[8][9][10]的想法，在系統中增設了中央運算 單位(Central Processing Entity，CPE)，中央運算單位在部分頻率協調機制裡佔了非常重 要的地位。根據目前的標準以及異質性網路發展的目的，毫微微基地台是一種使用者安 裝相當容易的基地台，只要有網路便可以任意安裝，也因此毫微微基地台間並沒有互相 溝通的機能，彼此無法交換訊息，毫微微基地台只會定期的向營運商回傳某些簡單的資 料，以便於營運商的管理；因此我們需要一個能夠管理整個地區毫微微基地台並讓這些 基地台彼此溝通的方法。

圖八 毫微微基地台與中央運算單位連結示意圖

中央運算單位被設立的目的便是如此，中央運算單位主要以光纖纜線來連結地區裡 所有的毫微微基地台，並與宏基地台網路做連結，如圖八所示；中央運算單位使得毫微 微基地台間能夠互相交換訊息並且能夠與宏基地台協調彼此間的運作方式，這些訊息裡 面包括了毫微微基地台所在的位置、基地台的覆蓋範圍大小以及當下有幾個使用者裝置

正在使用此基地台等；由於光纖纜線的緣故，中央運算單元幾乎是立即就能接收到所連

地台使用者數量落差非常大的情形，這種情形會造成毫微微基地台或是宏基地台其中一 方所獲得的頻寬過小，另一方獲得的頻寬過大，獲得的頻寬很大當然是好的情形，但是 獲得頻寬過小一方的通訊品質便會相對低落，通訊品質不受到保障並不是我們樂見的情 形；為了避免這種情形，我們會對兩方分別設立一個最低限制，頻寬分配時所分到的頻 寬不能小於此限制，這樣便可解決兩方吞吐量落差過大的情況。圖九為第一部分的流程 示意圖。

圖九 第一部分流程示意圖

在這裡為了瞭解保證頻寬如何設置較為妥當，我們對宏基地台使用者裝置所受到的

而毫微微基地台使用者裝置的干擾分析由於毫微微基地台及其使用者的位置皆為 隨機分布，兩種隨機分布的結合對於結果影響過大，難以分析，因此我們只有對宏基地 台使用者裝置作分析的動作。

圖十 軟頻率複用底下使用的頻帶示意圖

圖十為軟頻率複用機制底下宏基地台與毫微微基地台所使用的頻率範圍示意圖，在 軟頻率複用機制下所有的毫微微基地台都是使用圖中所標示的區塊，若是在 20MHz 的 系統之下，便是三分之一，33 個資源區塊的頻寬左右；而利用我們的協調機制後，根據

圖中的用戶人數，我們得到了公式(6)的比例為 13%，因此我們便取最接近的資源區塊比

圖十二 第二部分流程示意圖

第五章.

模擬

5.1. 模擬環境

此章節將會對我們提出的方法與部分頻率複用機制的模擬結果做比較，由於軟頻率 複用機制為部分頻率複用中效能較好的一種，因此我們的比較也針對與軟頻率複用比較 為主，表三為模擬環境的參數：

表三 模擬環境參數

參數

值

宏基地台 毫微微基地台

基地台數目

7(每個基地台包含三個 扇面)

30 ~ 240

基地台發送功率 20W 20mW

基地台覆蓋範圍半徑 1732 公尺 20 公尺

天線場型 (

圖十三開始到圖十八為我們所模擬的結果。此模擬的結果為單基地台分析(Single Cell Analysis)的結果；單基地台分析的方法為只控制一個基地台的條件，並將其他基地 台的條件設為一定的值，以此來模擬分析。

首先圖十三為兩種方法底下宏基地台使用者吞吐量與毫微微基地台使用者吞吐量，

我們從圖中可以發現，在軟頻率複用機制底下宏基地台使用者的吞吐量隨著毫微微基地 台數量的增加而下降，原因是毫微微基地台對宏基地台使用者裝置所造成的干擾越來越 強烈，而我們所提出的方法因為消除了毫微微基地台與宏基地台間的干擾，並再加上了 頻寬保證的機制後，吞吐量幾乎維持在一個定值，當毫微微基地台的數量到達了 180 個 的時候，兩種方法底下宏基地台使用者的吞吐量會非常接近，甚至在 180 個以後我們提 出的方法會比軟頻率複用稍微高出了一些些，這樣子的結果與我們當初所預測的結果相 差不遠。

圖十三 保證頻寬 33%時宏基地台使用者的吞吐量

圖十四顯示了不同的兩種方法底下毫微微基地台使用者裝置的吞吐量；與宏基地台

圖十四 保證頻寬 33%時毫微微基地台使用者的吞吐量

從圖十三與圖十四這兩張圖的結果來看，我們提出的方法在毫微微基地台數量較多 時，能夠較為明顯的提升整個系統的吞吐量。

接下來從圖十五到圖十八這四張圖，主要的目的在探討保證頻寬的大小對我們所提 方法的影響結果以及程度如何；對此我們將毫微微基地台使用者的保證頻寬調整為 25%

以及 50%並分別對宏基地台使用者以及毫微微基地台使用者取得模擬結果。

首先我們看到圖十五為保證頻寬 25%時宏基地台使用者的吞吐量，從圖中可以發現 由於毫微微基地台使用者保證的頻寬減小了，在我們的實驗環境中由於某一個毫微微基 地台使用者數量過大的情況機率較小，毫微微基地台使用者大多都只能用到比保證頻寬 稍微大一些些的頻寬，因此宏基地台使用者所能使用的頻寬較 33%保證頻寬的情況上升