本章將介紹兩種適用於 OFDM/CDMA 之無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)演算法，分別是允入控制(admission control)、封包排程(packet scheduling)演算法以及適應性子載波選擇(adaptive sub-carrier selection)。此這些演 算法皆將是適應性資源分配演算法設計之基礎所在，將在下一章介紹之。
3-1 允入控制
允入控制的目的在於使用者提出新的服務請求(request)時，系統預先根據當 時的負載來衡量允許該使用者加入後對系統所會造成的影響，並據以決定是否應 同意該使用者的服務請求。設計不當的允入控制演算法可能會導致新加入的使用 者衝擊到既有使用者的服務品質(Quality of Service, QoS)，抑或是最終並無法滿 足新使用者對於服務品質的要求。因此在設計時須特別釐清的重點在於：系統資 源之定義為何以及使用者對於服務品質的要求為何，其內容隨著使用者之特性不 同亦有所不同，因此在設計演算法之前便應先定義出系統中之使用者分為哪些類 型。
在本研究中，使用者之服務型態被區分為兩種不同的典型：即時性(Real-Time, RT)服務與非即時性(Non Real-Time, NRT)服務。其特性列於表3.1.1之中。
即時性服務 非即時性服務
例 語音通話、串流式影音 網頁瀏覽、資料下載
資料傳輸率要求 固定 非固定
資料延遲容忍 不允許 允許(有上限)
表3.1.1 即時性與非即時性服務特性
由表3.1.1 中可看出兩種服務型態有非常不同的品質要求，這將直接影響允 入控制對於不同類型使用者決策之考量。當使用者要求使用即時性服務時，系統 必須確定有足夠的資源可立即提供給使用者，否則便不應該允許使用者進入。而 對於非即性服務的要求，就算當時沒有足夠的資源亦可先允許使用者進入，俟之 後系統中有空閒資源時再提供該使用者使用。由於在無線通訊系統中，最大的資
源限制便在於傳輸功率的上限，因此當系統評估當時剩餘的功率資源不足以支援 該使用者的服務需求時，便會拒絕該使用者的進入。
然而非即時性使用者對於傳輸延遲的容忍能力並非無限制的，當延遲超過一 定程度很可能會導致更上層(upper layer)的通訊協定無法正常工作而導致傳輸失 敗。因此對於非即時性使用者要求進入系統時，允入控制演算法所觀察的指標將 是系統內當時所有使用者的平均資料傳輸延遲，以避免新使用者的加入造成系統 內非即時性服務之傳輸延遲更加惡化至無法接受的程度。整個允入控制演算法的 流程如圖3.1.1所示。
User Generation
Real-Time Services ? Yes
No
Yes Compute Sum of total power consumption of RT users in system
and
the power consumption of new RT comer
Larger than Voice threshold ?
Block No
Compute BS local average packet delay
Admission
Larger than Delay threshold ? Yes
Admission No
圖3.1.1 允入控制演算法流程圖
簡而言之，系統考慮是否允許新使用者進入系統時，需根據可能對既有使用
者連線品質造成的影響與系統當時的狀態來判斷應該允許或拒絕該使用者進入 系統。此種演算法稱為允入控制(Admission Control)演算法。實現允入控制的主 要目的與影響有：
λ 無線功率資源的分配。
當使用某一類服務的使用者造成系統的狀態超過一定程度時便阻止該類使 用者的進入，以保留資源給其他類型的服務使用。
λ 確保新使用者被拒絕(Blocking)進入系統的機率在容許值中。
若將進入系統的門檻值設的過低，雖然可使系統中的使用者不被斷線，但會 造成新使用者無法進入系統，換言之，系統保留過多的資源而浪費。
λ 確保訊號的傳輸服務品質(QoS)，如訊號干擾功率比(SIR)、位元能量與干擾 密度比值(E Nb/ 0)或位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)。
因為使用者不斷增加時，干擾功率將不斷上升，則傳輸訊號的功率相對減弱 而無法維持在使用者所要求的品質，所以需要有控制新使用者進入系統的機 制。
3-2 封包排程
封包排程(packet scheduling)的概念其實是延用自電腦網路中路由器(router) 所使用的功能，其主要目的在於避免資料發生碰撞(collision)，並藉由傳送優先 權的安排來實現不同等級的服務品質(QoS)。在無線網路中要支援封包(packet)資 料時，此功能將扮演非常重要的角色，其主要原因在於無線網路中的頻寬資源更 為昂貴但卻更稀少，若不妥善安排訊號傳送將很容易導致資料在空中發生碰撞，
浪費珍貴的無線頻寬資源，並進而影響服務品質。在本研究的第一部份已針對上 鍊傳輸時之封包排程演算法進行設計，本節將介紹下鍊傳輸時的演算法設計。
當使用者進入系統後，系統資源的分配可能在滿足傳輸服務品質的前提下，
由於使用者傳輸行為(如改變資料傳輸速率)、資料流量型態(如封包交換模式)與 通道環境的改變等隨時間而不斷地變化，因此定期偵測系統環境的變化並加以控 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，針對以封包交換 模式之流量型態的資料傳輸進行資源分配的控制，此機制我們稱為封包排程。封 包排程的重要性可以從三個方面來說明：
一、達到資源分配的高效率
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功率資 源安排給封包資料使用，以避免過載與提高系統效率(Efficiency)，如圖 3.2.1 所 示。
Max Transmit powers of Base Station
Time Power Consumption
from Real-time Users
Residue Power can be assigned to
packet data users
Packet Scheduling Update Period Power Consumption
圖 3.2.1 負載控制示意圖 二、避免資料脈衝發生
封包交換技術的數據資料產生時會以封包為單位，產生的時間依照數據資料 流量模型，與先前產生的封包是否獲得資源足以傳送無關，當被分配的資源無法 將資料位元傳送時，剩下的資料位元將暫存於緩衝器中等待下次獲得資源以便傳 送。在沒有任何資料傳送的時候，該使用者便不發送訊號。
系統中數據服務類型的使用者越多時，系統容易有脈衝（burst）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打算同時傳送資料，造成系統功率資源嚴重不足，
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，系統功率資源消耗很低，造成資源浪費的情況。
三、維持使用者的傳送服務品質 (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）
封包排程演算法的設計主要可區分為兩部分。一為針對使用者的服務型態、
服務品質設定分配資源的優先權(priority)。其次為在滿足服務品質的前提下，依 據優先順序，進行功率資源分配(resource allocation)，直到基地台的可用傳送功 率全部分配完為止。由於資源分配演算法為本研究之重點，故將另闢專門章節介 紹之，在此僅先略做說明其與封包排程之關係。
優先權的設定是封包排程中重要的一環。依照不同服務種類、對服務品質的 不同要求、使用資源的公平性及每位使用者的通道狀況好壞來安排傳輸的先後順 序。一般而言，即時性服務的資源分配優先權高於非即時性服務，換句話說，當 系統功率資源無法滿足現存系統中語音服務使用者的需求，將無剩餘功率可供數 據服務使用。在數據服務層級中，優先權的決定方法將隨著不同的考量點，如公 平性或滿足服務品質而有所變化。相關研究文獻如[61]以隨時間輪流傳送的模式 決定使用者的傳輸順序，[62]是以使用者所處通道條件優劣為排序依據，[63]則 以使用者所處之平均通道條件與瞬時通道條件的比值為依據以增加公平性；除此 之外，有關數據服務使用者的延遲效應於[64]中將其加入決定優先權的考量並以 指數權重(exponential weight)強調其重要性。
資源分配演算法是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熱雜訊密度比(E Nb 0)下，選擇適當的 參數組合，來完成系統設定的分配目標(object)。一般而言，研究文獻的分配目 標主要為兩個類別，一是在基地台的最大可傳送功率限制下，最大化系統容量 (capacity)；另一類別則同樣在基地台的最大可傳送功率限制下，最小化每個使用 者的功率消耗。圖4.4 為封包排程演算法流程圖。
Real-Time Services ?
Yes
No
Yes
No
Yes Resource Allocation
Next User
BS residue power
> Voice threshold?
Scheduling Procedure Start
Scheduling Procedure
Finisth Data User
Priority Setting
Start from highest priority user
Last Voice User ?
Yes Resource Allocation
Scheduling Procedure Finisth
BS residue power > 0 ? Last Data User ?
Yes Next User
No
No
圖 3.2.2 封包排程演算法流程圖
3-3 適應性子載波選擇
在 OFDM 系統中，傳送端龐大的資料流將會被分成眾多小資料流後再分別 透過許多子載波在通道中傳送，藉由每個子載波上訊號較不易被通道效應破壞之 特性，使得高資料傳輸率可以輕易的藉由子載波數量的增加而達成。在本研究中 所考慮的系統架構中採用了1024 根子載波進行傳輸，然而各使用者不必然會使 用所有的子載波，再加上各子載波所遭受到通道效應的影響不一，因此選擇較佳 的子載波進行資料傳送可預期的必然能改善傳輸的品質，進而提升系統整體的效 能。在下一章介紹適應性資源分配演算法時將會說明選擇通道狀況較佳的子載波
在 OFDM 系統中，傳送端龐大的資料流將會被分成眾多小資料流後再分別 透過許多子載波在通道中傳送，藉由每個子載波上訊號較不易被通道效應破壞之 特性，使得高資料傳輸率可以輕易的藉由子載波數量的增加而達成。在本研究中 所考慮的系統架構中採用了1024 根子載波進行傳輸，然而各使用者不必然會使 用所有的子載波，再加上各子載波所遭受到通道效應的影響不一，因此選擇較佳 的子載波進行資料傳送可預期的必然能改善傳輸的品質，進而提升系統整體的效 能。在下一章介紹適應性資源分配演算法時將會說明選擇通道狀況較佳的子載波