第二章 Macrocell 與 Femtocell 共存系統連結阻隔機率建模議題
2.4 Macrocell 與 Femtocell 共存系統阻隔機率建模問題與挑戰
2.4.2 阻隔機率分析的挑戰
要探討2.4.1 小節中兩個議題，挑戰如下：
C1. Macrocell 與 femtocell 具有不同的連結需求特性，由[KCF10]，macrocell 用戶可能僅使用諸如網頁瀏覽等能快速瀏覽資訊的數據服務，因此使用頻率較高、
使用時間較短且需求頻寬較低；femtocell 用戶則趨向於使用影像串流服務等使用 時間較長且需求頻寬較高的數據服務。然而CAC 設計限制了兩系統連結數量，當 femtocell 滿載而造成阻隔時，其接取失敗的使用者只能轉往使用 macrocell 的頻寬 資源，因此阻隔機率的計算與系統需求模型息息相關，不易求解。
31
C2. 源自 macrocell 與 femtocell 的數據服務連結，在連結期間可能因原先之使 用者移動使得需求流量間在macrocell 與 femtocell 系統轉移，因而影響使用者在室 內外的機率、接取macrocell 子系統後端頻寬連結的數量以及在 macrocell 使用頻寬 資源的時間及容量，進而影響連結阻隔機率分析與計算，為另一項挑戰。
故效能指標與系統模型息息相關該如何求解，為本論文所將面對的主要挑戰；
其求解目的是為了得知各基站的平均流量需求以分析固網容量能提供多少流量而 求解其阻隔機率。
32
33
第三章
Macrocell 與 Femtocell 共存系統阻隔機率模型
本章根據第二章所敘述定義的共存系統資源瓶頸所在，以排隊理論為基礎建 立連結阻隔機率模型。首先考慮macrocell 與 femtocell 用戶的數據連結需求到達、
移動方式及封包網路的特性來建立無線資源容量限制下的流量模型，並在流量模 型上加入連結允入控制(CAC)機制，macrocell 系統可接納之連結數有一上限，其次 運用所建模型進行分析，推導出macrocell 系統之連結阻隔機率。
本章組織如下：在3.1 節首先敘述系統效能建模分析的問題假設、需求以及可 能遭遇到之困難；3.2 節定義模型符號；3.3 節參考[MHH11]分別針對 femtocell 基 站及 macrocell 基站以廣義馬可夫鏈分析進行連結數據流量建模；3.5 節分析流量 轉移機率；3.6 節分析系統可接納連結數並總結 3.3 節之推導，以求出 macrocell 系 統之阻隔機率；3.7 節則總結整體模型架構。
3.1 數據流量模型建立需求
共存系統需考慮來自macrocell 與 femtocell 之連結流量。從建立連結需求的層 面來看，在UMTS 系統中有許多不同的數據服務類型，系統需提供不同的服務頻 寬予不同之服務需求，例如第二章所探討的網頁瀏覽頻寬需求為128kbps 等。本論 文首先從單純的情形來探討共存系統效能分析，考慮macrocell 與 femtocell 系統皆 提供單一服務，分別為網頁瀏覽服務及影音串流服務。
34
由第二章共存系統之架構與說明可得知，行動通訊系統實際存在無線資源的 限制，而macrocell 系統擁有後端固網資源-Iu-ps 介面的頻寬容量，由 RNC 提供頻 寬資源予macrocell 使用者與由 femtocell 轉接至 macrocell 的用戶之數據服務連結。
我們利用排隊(queueing)流量模型描述此共存系統。藉由模型建立，我們可探討用 戶的服務需求、服務品質、對頻寬的需求以及既有鏈結容量(link capacity)等因素之 間的關係，以達到分析服務品質的目的。
3.1.1 模型情境設定
系統情境設定為在都市環境中的一個macrocell 基站及多個 femtocell 基站的共 存系統，我們參考[KOC11]，假設業者採用頻帶為不相交(disjoint)的方式以避免 femtocell 間訊號傳輸的干擾。另外根據 AT&T 推出之 femtocell 服務的使用者手冊 [ATT09]，其中建議使用者避免將兩個 femtocell 基站安裝在同一建築物內，且 femtocell 涵蓋範圍小，互相干擾機率低，因此我們假設 femtocell 基站之間涵蓋範 圍不相重疊。由於 femtocell 多建置在室內環境，訊號經過如建築物的牆壁等物體 阻擋，對於macrocell 基站所產生之干擾很小，因此假設 femtocell 與 macrocell 之 間亦沒有干擾。為簡化而不失重點，本研究暫不考慮 femtocell 用戶會離開此共存 系統。
3.1.2 共存系統 CAC 機制
圖2.3 所示之共存系統架構中，因應來自 macrocell 與 femtocell 之連結需求，
由macrocell 架構之 RNC 須對 macrocell 以及 femtocell 連結需求進行個別的 CAC。
兩者之上，另有一ACCC(Admission Control for Coexistence Coordinator)管理系統負
35
責協調 RNC 所採用之 CAC 機制是否接受新進連結，並提供資訊給 RNC 計算 macrocell 基站的阻隔機率。ACCC 管理系統由資料庫讀入使用者行為統計數值，
如用戶需求到達率、使用多久時間等，藉 ACCC 中的連結阻隔機率模型計算出 macrocell 系統的連結阻隔機率。由於 ACCC 能隨著使用者移動行為模式的不同或 依不同之連結頻寬需求而計算出macrocell 基站之阻隔機率，因此可提供電信業者 作為管理共存系統之服務品質以及建置固網成本之參考。
本小節旨在討論數據傳輸之頻寬需求特性、連結允入控制及頻寬分配的決策指 標，以作為共存系統後端固網連結訊息的傳遞與中央管理協調。我們新設計一個 ACCC 系統方塊如圖 3.1 所示，其中粗黑方塊即為 ACCC，負責協調 RNC 與 F-GW 之CAC 管理設計。其主要功能設計如下：
我們藉由 HLR 與 SGSN 儲存使用者設備與基站連結時的資訊之功能，可以記 錄macrocell 與 femtocell 使用者連結到達資訊與持續時間，以得知用戶數據連結需 求到達以及移動方式特性，作為阻隔機率建模資訊的輸入與建檔。
其他共存系統固網容量之頻寬分享所牽涉到的系統元件與協議分別敘述如 下。
在給定之 macrocell 頻寬容量限制下，連結允入控制有一連結數量上限，藉由 加入 ACCC 之連結建立程序，我們可依據用戶需求及特性、封包網路特性以及連 結數上限值計算共存系統連結阻隔機率。圖3.2 為參考第二章說明的 macrocell 系 統RNC 允入控制流程加進 ACCC 之設計而成，以表示由使用者設備至 Iu-ps 介面 的流程，縱軸往下為時間進行的方向。
36
(1) 由 macrocell 或 femtocell 使用者設備提出連結建立請求消息，並透過 RRC 和 RANAP 協議到達核心網路。核心網路發送承載(bearer)分配消 息以觸發無線電承載的建立(可參照第二章 RAB 的說明)；
(2) 連結建立訊息到達後，如圖 3.2 中紅色雙向箭頭所示，先由 ACCC 與 後端固網端 Iu-ps 確認資源是否足夠供應 macrocell 或切換至 macrocell 之femtocell 連結服務之所需；
(3) ACCC 通知位於 RNC 或 F-GW 之 CAC 演算法負責執行接受或拒絕連 結請求建立的步驟，CAC 執行步驟位於圖 3.2 中之橘色橢圓；假設 Iu-ps 具有容量BWIups(bps)；
(4) 若接受此連結請求，RNC 會透過無線電承載在無線接口與 Iub 接口上 建立資源，使得 macrocell 或切換至 macrocell 系統之 femtocell 用戶連 結需求能分別成功接取；
(5) 後端所需連結資源在分封網路接口上建立資源，若建立過程成功，無 線電承載訊息會給定一分配回應(response)以確認無線電乘載的建立。
進入系統之連結依據 Iu-ps 特性分享頻寬，因此每一接取服務之連結在系統中 因應不同之連結數共享頻寬資源，亦即因應系統之連結數目的狀態，單一連 結傳輸頻寬容量依不同狀態而變化。
以 macrocell 系統阻隔機率之計算作為評估系統效能之準則，由於 CAC 保證 進入系統之連結能有一定QoS，然新進連結被阻隔之機率應較一沒有 CAC 之
37
共存系統高。
圖3.1 加入 ACCC 之 3G UMTS 共存系統架構
圖3.2 ACCC 於共存系統中涉及的協議訊息
3.2 連結阻隔機率模型符號定義
阻隔機率計算模型由(1)數據連結及流量需求子模型(2)連結的資源佔用時間分 析(3)連結及流量移轉子模型(4)macrocell 與 femtocell 連結阻隔機率計算子模型(5)
38
基站及後端固網數據服務子模型等五個部分所構成。以下茲先定義以下各小節符 號表如下：
頻寬資源
ps
BWIu ：macrocell 系統之 Iu-ps 頻寬資源（bps）；
bw1：單一macrocell 連結需求之頻寬資源 （bps）；
bw2：單一femtocell 連結需求之頻寬資源 （bps）；
數據需求到達率
T ：Macrocell 及 femtocell 系統之總新進數據需求到達率（連結/秒）；
K ：T與單一用戶數據需求到達率的比值；
K
T
：單一使用者的數據需求到達率（連結/秒）；
m：Macrocell 基站的總數據流量到達率（連結/秒）；
o
：在 macrocell 中開始使用服務造成的數據需求（連結/秒）； m, fo
：Femtocell 用戶在室外開始造成的數據需求（連結/秒）； m, fm
：切換到 macrocell 的數據需求（連結/秒）； h, fmm
h, ：切換到其他macrocell 的數據需求（連結/秒）；
：單一 femtocell 基站的總數據需求（連結/秒）； f o
：在 femtocell 中開始接取所造成的數據需求（連結/秒）； f ,
39
mf
：由 macrocell 轉接進 femtocell 的數據需求（連結/秒）； h,
環境參數
Rf ：Femtocell 基站涵蓋半徑（公尺）；
R ：Macrocell 基站涵蓋半徑（公尺）； m
L：共存系統總用戶人數（個）；
J：在單一femtocell 註冊的用戶人數（個）；
N ：系統中femtocell 的數目（個）；
M ：系統中 macrocell 的數目（個）；
連結持續時間
mTm ~exp ：macrocell 基站用戶使用數據服務的連結時間之隨機變數，機 率密度為指數分佈，平均值為
m
1 （秒）；
fTf ~exp ：femtocell 基站用戶使用數據服務的連結時間之隨機變數，機率 密度為指數分佈，平均值為
f
1 （秒）；
停留時間
fF ~exp ：單一femtocell 用戶在 femtocell 基站範圍內停留時間，機率密度 為指數分佈，平均值為
f
1 （秒）；
mM ~exp ：macrocell 用戶在 macrocell 基站範圍內停留時間，機率密度為 指數分佈，平均值為
m
1 （秒）；
40
機率
P ：Macrocell 使用者的連結阻隔機率； m
fm
Ph, ：Femtocell 使用者因移動由 femtocell 轉接到 macrocell 的機率；
mf
Ph, ：Femtocell 使用者因移動由 macrocell 轉接到 femtocell 的機率；
q ：Femtocell 用戶在室內的機率；
3.3 基站數據服務流量建模
首先討論連結層面中單一 femtocell 基站及 macrocell 基站的數據流量，假設 femtocell 基站間具有相同之統計性質，因此考慮單一 femtocell 系統用戶之流量特 性並延伸到N 個femtocell 基站。基站數據需求以該基站的連結需求到達率（arrival rate）或單位時間內使用者要求接取該基站的服務連結數目來表示，由 macrocell 以及femtocell 切換至 macrocell 無線接取之連結需求到達接取固網，形成訊務流量 匯集到Iu-ps 介面，後再由 SGSN、GGSN 等網路元件轉送出至網際網路。
由於用戶在基站會有連結需求以及切換連結需求的產生，然連結需求所傳送 的訊號經由無線介面、Iub 介面以及如 Iu-ps、SGSN 等設備時，必定會產生訊號傳 輸上的延遲(delay)，稱之為傳輸時延。在固網端上傳輸時延因固網線材之傳輸效率 高(如光纖、ADSL 等)，因此由[ABI04]中提出固網時延約為 76ms；而我們另外亦 假設無線傳輸通道之訊號良好，因此無線傳輸訊號之時延則約為20ms，與使用者
由於用戶在基站會有連結需求以及切換連結需求的產生，然連結需求所傳送 的訊號經由無線介面、Iub 介面以及如 Iu-ps、SGSN 等設備時，必定會產生訊號傳 輸上的延遲(delay)，稱之為傳輸時延。在固網端上傳輸時延因固網線材之傳輸效率 高(如光纖、ADSL 等)，因此由[ABI04]中提出固網時延約為 76ms；而我們另外亦 假設無線傳輸通道之訊號良好，因此無線傳輸訊號之時延則約為20ms，與使用者