系統模擬方法

第四章 系統模擬方法

本章將說明模擬平台之模擬流程，並說明如何依據前述章節之理論，透過電 腦程式完整模擬出真實系統運作下的環境變化。另一方面，也將闡述無線資源管 理演算法的功能與背後意義，使後進的研究者能更加體會出無線資源管理在行動 通訊上扮演的角色，而針對不同議題作更深入的探索。

4-1 系統模擬程序

行動通訊系統中的事件，由於本身特性的不同，因此模擬的方法亦有差異。

一般來說可以分成兩類：事件驅動(Event Driven)，與時間驅動(Time Driven)[29]。

以事件驅動的方式來進行系統模擬者，適合所需要模擬的變數無週期性的變化，

因此時間點可以直接跳躍至事件發生的時刻，以節省系統模擬耗費的時間。以時 間驅動的方式進行系統模擬，主要是針對系統中週期性變化的變數。透過時間驅 動的方式定期去執行特定功能或是更新系統中特定變數，以反應出系統隨時間變 化而有相對應的環境參數。環境參數的變化機制完全是依據真實環境中所統計出

來的模型所設計，因此未來在本系統模擬平台上建構不同理念的無線資源管理演 算法，均能忠實地反應出演算法在實際環境下的效果。

本系統模擬平台之中，整合多項無線資源管理的演算法，個別有適合事件驅 動或時間驅動的特性，因此同時結合這兩種系統模擬的概念來設計本模擬平台，

並將各種不同的演算法依特性分類再加以結合，如此可同時取兩種方法的長處。

圖4.1 為系統模擬邏輯示意圖，解說系統模擬不同事件的模擬流程：

Time (sec)

System Initialization

at t=0

Call Departure New Call Arrival

Shadow Fading

Update Traffic update

Event Driven

Time Driven

圖 4.1 系統模擬邏輯示意圖

圖4.1 舉例列出了模擬平台中其中幾個具代表性且具不同驅動特性的事件。

圖的上半部所描述的是非週期性發生的事件，這些事件在程式中相關的動作會以 事件驅動(Event Driven)的方式處理。另一方面，在圖的下半部所描述的是週期性 發生的事件，這些事件相對應的動作會以時間驅動(Time Driven)的方式處理。儘 管同是時間驅動的事件，依據特性的不同，設計使每個事件有其各自的更新週 期，以增加系統運作的效率。以下將說明在模擬平台中所有的事件，與每個事件 中所對應的功能與相關的設計：

事件驅動之事件

New Call Arrival

產生一個新的使用者進入系統，同時將該使用者相關的資訊初始化，包含位 置座標、服務形態、移動速度、移動方向、與每個基地台間連線所遭受到的遮蔽 衰落。此事件發生的時間點是由一個波松分佈所決定。伴隨著新使用者的產生，

細胞搜尋(Cell Search)與允入控制(Admission Control)的機制將會被啟動。

Call Departure

系統中語音服務使用者結束通話服務並離開系統。數據服務使用者待在系統 的時間並不是一個單純的機率分佈，並且會受到封包排程(Packet Scheduling)機制 決定可分得的功率資源，進而影響數據封包傳送完成的時間。

時間驅動之事件

Traffic Update

針對使用數據服務的使用者來更新其資料流量狀態，因為使用數據服務時使 用者資料流量的變化比較頻繁，需藉由經常性的更新其流量狀態以反映出流量變 化的效果。而語音服務之使用者流量變化很緩慢，可直接在統計時考慮活動因素 (Activity Factor,

ρ

數據服務使用者的封包不斷依照數據資料流量模型產生，當使用者無法經由 封包排程來獲得足夠的功率資源將緩衝區(Buffer)暫存的封包全部傳送，基地台 本機端平均封包延遲(Packet Delay)會有所增加；一旦超越系統設計之延遲臨界值 (Delay Threshold) ， 將 驅 動 允 入 控 制 機 制 ， 反 應 在 系 統 的 阻 塞 率 (Blocking Probability），進一步影響到系統其它功能與演算法運作的結果。

Channel Update

更新通訊環境的通道變化狀況。隨著使用者位置的改變，所遭受的通道衰落 亦隨之改變，包括路徑損失、遮蔽衰落與多路徑衰落。依據各自的相關性模型，

會有不同的更新週期。舉例而言，在第三章中曾提及所參考的遮蔽衰落自相關模 型為：

( )

4.1

| |ln2

( ) x e ^{D x} ρ + = ^{− +}

當非相關距離(De-correlation Distance)為 20 公尺時，我們可以透過此公式反 算出當兩點間遮蔽衰落之自相關常數降至0.95 時所需間隔的距離

+ x

| |ln2

( )

20

ln(0.95)

| | 20 1.48( )

0.95 = e

⇒ + x = − ln 2 ≈ m

因此可以假設當使用者移動距離不超過 1.48 公尺時，遮蔽衰落的參數並不 需要更新，如此才能在兼顧準確性的前提下節省運算時間。當使用者移動速度為

30Km hr/ 時，需花費0.1776 秒才會移動 1.48 公尺。故此時程式更新遮蔽衰落參 數的週期便是 0.1776 秒。使用者移動速率引起都卜勒頻率偏移現象，造成通道 狀況同調時間長短不一。由於多路徑衰落效應在同調時間內視為不改變。因此在 使用者移動速度為30Km hr/ 時，多路徑衰落的更新週期為5.04ms，其他移動速 度的週期對應值可參考第二章之移動速度模型相關參數表。

Mobility Update

更新系統內與使用者移動行為相關之參數。需要更新的參數為使用者的座標 位置以及使用者移動的速度與方向。新的座標是由前一次的座標加上這段期間使 用者在X 軸與 Y 軸移動的距離，而移動速度與方向的更新則是根據使用者移動 模型來決定。根據UMTS 的建議[15]，當使用者移動距離等於非相關距離時再更 新這些參數便可[17]。若考慮該環境非相關距離為 20 公尺且使用者移動速度為 30Km hr/ 時，使用者需花費2.4 秒才能移動 20 公尺，因此程式此時便以 2.4 秒 作為更新使用者移動性相關參數之週期。

Outage Update

系統每隔一段時間便確認各使用者連線的品質是否滿足最低要求，否則便將 使用者的服務強迫中斷。主要的目的在切斷品質不佳的連線以免影響其他使用者 的服務。對於語音服務的使用者，一旦品質連續低過目標訊號干擾比臨界值 (Target SIR Threshold)便會被強迫中斷服務，但對於使用數據服務的使用者，也 許只是暫時將原本欲傳送的資料暫時延遲。

此事件的更新週期通常較短，在模擬平台中，是每32 個 OFDM 符元區間發 生一次，原因是當使用者的移動速度為系統設定的最高速率250Km hr/ 時，此時 使用者面臨的通道環境之同調時間約為32 個 OFDM 符元區間，故通道將會有所 變化，選定為更新週期以確認各使用者連線的品質在新的通道中是否滿足最低要 求誠屬合理。

Power Control

根據功率控制演算法來調整使用者發射訊號之功率強度，目的在調整訊號發 射功率強度。此事件主要的精神在於滿足連線品質的前提下，維持發射訊號功率 強度在最低的水準，以降低基地台端功率的消耗。每32 個 OFDM 符元區間執行 本事件一次，週期的意義與選定如前所述。

Capacity Measurement

統計系統容量。系統容量分為兩種方式來統計，一是系統中的使用者人數 (Number of Users)，一是系統所承受的資料流量(Throughput)。封包排程與功率控 制機制的好壞會影響成功傳送的資料量，將系統正確傳送的資料位元 (bits)除以 觀察的時間，便可以得到在過去這段時間內系統平均的資料傳輸率(Data Rate)。

最後系統會將整個系統模擬過程中每次統計到的容量再予以平均，如此可以得到 系統在特定環境條件下的容量(Capacity)。