在進行一個完整的系統模擬時，考量的環境及系統相關系數的設定是否合理 與正確，均將直接影響研究成果是否具有高度的參考價值。因此本章將會針對所 規劃的OFDM/CDMA 模擬平台建構時的各項系統參數與背景，與模擬進行時的 環境模型及使用者行為模型做進一步的說明。[17]
3-1 系統規劃
3-1-1 細胞架構
在本節中，我們將說明細胞架構的原因與組成。本系統的下鍊鍊路(Downlink) 採OFDM/CDMA 系統，因為適當地選擇保護區間長度，維持子載波間的正交性，
避免了子載波間干擾，並且在下鍊鍊路中，假定傳送端與接收端能正確地展頻 (Spread)與反展頻(De-spread)，將沒有多重接取干擾(Multiple Access Interference, MAI)影響。多重接取干擾主要是在基地台(Base Station)的發射訊號中，相同頻帶 中其他使用者的傳送信號經過傳輸通道(Channel)所造成的干擾效應。
但本系統的上鍊鍊路(Uplink)採第三代行通訊系統規格 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)，具有同樣的單一頻率重複使用(Universal Frequency Reuse)特性，換言之，每位使用者使用相同的頻帶(Frequency Band)，
系統的頻率重複使用係數(Frequency Reuse Factor)等於 1，所以每個人的上傳發 射信號對其他人而言都會造成同頻帶干擾(Co-Channel Interference, CCI)。
儘管根據Miller 和 Lee 的分析[18]，在 CDMA 的系統中，需考慮兩個干擾 層(Tiers)，才可以相當接近於考慮無窮多個干擾層的效果。但首先假設為了獲得 足夠的統計量，每個細胞需模擬N 個使用者，總共考慮兩個干擾層19 個細胞的 統計使用者數量將增加19 倍，其次本 OFDM/CDMA 模擬平台為一多載波系統，
每個使用者的通道狀況計算均需求考慮1024 根子載波上的通道增益。最後本系 統預計採用的換手轉換(Handover)機制未定，因此在考量所需消耗的運算量的前 提下，在本系統中考慮單一細胞層(Single Cell)，並且細胞的涵蓋範圍(Coverage) 用一個六角形來近似。
縱然目前僅考慮單一細胞層的細胞架構，但是在假設使用者移動速率不會快 速到時常接近細胞邊界(Cell Boundary)的前提下，目前所採用的系統架構、通道 環境、使用者行為與無線管理演算法仍可正確運作，僅多細胞(Multiple Cell)的干 擾效應考量的不完整。來年度的計畫執行目標，將充份模擬兩個干擾層產生的干
擾效果，朝完整模擬細胞架構的方向邁進，以求更真實地反應出無線資源管理演 算法在實際細胞架構下的運作情形。未來兩個干擾層的細胞架構如圖3.1 所示。
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6 5 17
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9 8
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11 10
圖 3.1 兩個干擾層細胞架構
3-1-2 鍊路預算
在建構系統之初，須透過鍊路預算(Link Budget)來估算每個細胞的涵蓋範 圍。但值得注意的是，鍊路預算裡的參數值多為參考一段時間的平均值，因此所 計算出的結果僅能供作系統建置初期的參考；然而，經由此參考數值，方能在規 劃初期有所依據，實際情況則需要透過進一步模擬才能清楚。
表3.1 是一個上鍊鍊路預算的範例。範例中所考慮的情況是使用者在移動速 度30(km hr/ )，服務型態有即時性或非即時性服務可供選擇，考慮接收機的頻寬 為5 MHz ，且環境溫度在 293 K (20 CD )。本鍊路預算範例所列出之各項參數與建 議值可參考H. Holma[19]的著作獲得進一步的說明。鍊路預算中的每一項參數本 身都具有重要的物理意義，並反映出真實系統中的環境變因。底下將詳細解說參 數意義。
Corresponds to 2.95 km cell radius by Vehicular path loss model (v) Allowed path loss for cell range
(u) In-car loss
(t) Soft handover gain, multi-cell (s) Log normal fading margin Propagation model exponent Log normal fading constant Coverage probability
(r) Max. allowable propagation loss (q) Fast fading margin
(p) Cable loss in the base station (o)Base station antenna gain (n) Receiver sensitivity (m) Required Eb/No (l) Processing gain
(k) Total thermal noise+interference power (j) Receiver interference power
(i) Interference margin
h=g+10*log10(5000000); Rx bandwidth = 5MHz (h) Receiver noise power
(g) Receiver noise density
(f) Base station receiver noise figure (e) Thermal noise density
Receiver (base station) (d) Equivalent Isotropic Radiated Power (c) Body loss
(b) Mobile antenna gain
21 (a) Max. mobile transmission power
Transmitter (mobile station)
Uplink Link Budget
dBm
Item Units Values Comments
dBi
max. planned noise rise j=10*log10(10(h+i)/10-10h/10) k=10*log10(10h/10+10j/10) l=10*log10(103840/8)
n=m-l+k
consider omni-directional antenna
when high speed, no fast fading margin r=d-n+o-p-q
if no cell selection, need 13.2
v=r-s+t-u
表 3.1 上鍊鍊路預算範例
環境參數說明：
Max. mobile transmission :
手機發射訊號所能達到的最大功率，單位是 dBm。Mobile antenna gain :
手機天線的增益，若值為零則代表使用無指向性(Omni Directional)天線，若不為零則代表使用指向性(direction)天線。單位為dBi。Body loss :
手機發射訊號經過人體時所衰減的程度。若值不為零則代表使用者將手機貼著耳朵使用，若為零通常代表使用數據服務時使用者將手機遠離身體以 閱讀資訊。單位為dB。
Thermal noise density :
背景熱雜訊的密度。與溫度呈正比關係，公式為 N0 =KT。T 為所考慮環境的凱氏溫度， K 為蒲朗克常數，值為 1.38*10-23。單 位為dBm Hz/ 。Base station receiver noise figure :
訊號經過基地台接收機時，訊號雜訊比 會因為射頻(RF)元件的作用而產生額外的雜訊，此項代表訊號雜訊比(SNR)惡化 的程度。單位為dB。Receiver noise density :
在基地台射頻接收設備的輸出端，等效的熱雜訊密 度。單位為dBm Hz/ 。Receiver noise power :
在已知熱雜訊密度的情況下，考慮系統使用理想的濾 波器，則所收到的熱雜訊功率等於熱雜訊密度乘上濾波器的頻寬。單位為dBm。Interference margin :
系統當初規劃所準備承受的最大干擾(Interference)功 率。此強度是以熱雜訊的強度為比較基準，故單位為dB。由於CDMA 系統的干 擾強度與使用者數量有某種程度的正比關係，故此項的值會直接影響到系統的容 量。以熱雜訊強度為比較基準，是因為當系統硬體設備規格決定後，接收機在濾 波器之後所收到的熱雜訊強度便會固定，不隨其他參數或演算法而有所改變，故 以此為比較的基準。Receiver interference power :
在基地台射頻接收設備的輸出端，所規劃承受 的最大干擾功率，單位為dBm。Total thermal noise + interference power :
在基地台射頻接收設備的輸出 端，所規劃承受的最大干擾功率加上熱雜訊功率，單位為dBm。Processing gain :
在 CDMA 系統中，訊號在傳送端經過展頻，在接收端又經 過解展頻，因此在通道中所引入的干擾與熱雜訊將會被抑制，故訊號雜訊比會因 此而得到增益，稱為展頻增益。其值為(Chip Rate / Bit Rate)，Bit Rate 為訊號的 位元傳輸速率，Chip Rate 則為展頻碼產生率。此項的單位為dB。Required E
b/N
o:
使用者選用的服務所需的訊號品質。Eb為訊號中每個位元內 所含的能量(Energy per Bit)，而 No則為熱雜訊的密度(Noise Density)。事實上這 裡的No並不單指熱雜訊的影響，而需同時考慮同頻干擾(Co-Channel Interference) 密度。實際上Eb/No是一個功率的比值，故單位為dB。Receiver sensitivity :
定義為 Required Eb/No – Processing gain + Total thermal noise + interference power。其中 Required Eb/No – Processing gain 即為 Required SIR，表示為滿足某一定值 BER(Bit Error Rate)時所需的訊號品質。Required SIR + Total thermal noise + interference power 為所需要的訊號強度，由於這邊考慮的 interference power 是我們所規劃系統準備承受的最大干擾強度。故可知 Receiver sensitivity 所代表的意義為，當系統處在最惡劣的情況時，在基地台射頻設備的 輸出端所要求訊號須滿足的最低功率，其單位為dBm。Base station antenna gain :
基地台端所使用天線的增益。值為零代表使用無 指向性(Omni-Directional)天線，若不為零時則代表使用指向性天線。一般而言，指向性天線常伴隨著細胞分隔(Sectorize)技術的使用，若使用無指向性天線時則 否。單位為dBi。
Cable loss in the base station :
考慮訊號從基地台經由同軸電纜傳送至機房 所遭受到的損耗。單位為dB。Fast fading margin :
預留一段空間確保傳送端有足夠的功率，讓功率控制機 制在快衰落(Fast Fading)突然變化之際，能試著克服通道衰落的影響以期接收訊 號維持在欲鎖定的目標訊雜比(Target SIR)。單位為dB。Max. allowable propagation loss :
當使用者手機發射功率最高時，考慮系統 處於近乎所規劃的滿載的情況時，訊號可以容忍的最大傳播損失(Propagation Loss)。單位為dB。Coverage probability :
當使用者位在所規劃的涵蓋範圍邊界上，在系統中干 擾強度達到所規劃的上限時，使用者傳送到基地台的訊號品質能滿足系統要求的 機率。Log-normal fading constant :
遮蔽衰落(Shadow Fading)在統計上會呈現 Log-normal 的分佈，而此項則是指這個 Log-normal 分佈的均方差(Standard Deviation)值。此為一量測值，根據環境不同會有所改變。Propagation model exponent :
在很簡單的路徑損失(Path Loss)模型中可將路徑損失的量近似成與距離的某次方成反比，而此項便代表在該環境中，適合此 路徑損失模型的次方數。此值亦會隨所考慮的環境而有所不同。
Log-normal fading margin :
若將可容許最大傳播損失的門檻(Threshold)訂 為平均的遮蔽衰落加上路徑損失，則當使用者位在涵蓋區邊界時，只有50%的機 會能滿足訊號品質的要求。為達到Coverage probability 的要求，必須在所規劃的 最大傳播損失中，預留一些空間因應遮蔽衰落的變動。在已知Log-normal fading constant 時，我們便可算出所需要的 Log-normal fading margin。此項的單位為dB。Soft-handover gain :
當系統有使用軟式換手技術(Soft Handover)時，使用者的 訊號可能會由一個以上的基地台接收，於網路端再將同一個使用者來自不同基地 台的訊號做結合或是選擇性分散(Selective Diversity)。如此能增進訊號的品質。單位為dB。
In-car loss :
當考慮使用者高速移動時，因此訊號在穿透車輛時所受到額外的損失必須要考慮進來。單位為dB。
Allowed path loss for cell range :
在考慮所有系統效能限制與所規劃的系統 資源分配後，每個使用者所能夠允許承受的最大路徑損失。單位為dB。經由上鍊鍊路預算推估出的最大路徑損失值主要與使用者和基地台間的距 離有關，因此透過這個值並配合適當的路徑損失模型，便可規劃出此基地台在滿 足各種條件情況下的有效涵蓋半徑。
在下鍊鍊路中，系統資源的定義為基地台的最大可傳送功率。此未知數的解 法為透過上鍊鍊路預算推估出基地台有效涵蓋半徑後，建立上下鍊鍊路預算的連 結關係，以求得基地台的最大可傳送功率。由於上下鍊鍊路均是設計在同樣大小 的細胞有效涵蓋半徑，推得上下鍊鍊路預算的共同解為最大路徑損失值，因此將 可下鍊鍊路預算來反求基地台的最大可傳送功率。在下鍊鍊路預算中，多項參數 的意義與求值，跟在上鍊鍊路預算中並無不同。唯一特別注意的是，因為本模擬
在下鍊鍊路中，系統資源的定義為基地台的最大可傳送功率。此未知數的解 法為透過上鍊鍊路預算推估出基地台有效涵蓋半徑後，建立上下鍊鍊路預算的連 結關係，以求得基地台的最大可傳送功率。由於上下鍊鍊路均是設計在同樣大小 的細胞有效涵蓋半徑，推得上下鍊鍊路預算的共同解為最大路徑損失值，因此將 可下鍊鍊路預算來反求基地台的最大可傳送功率。在下鍊鍊路預算中，多項參數 的意義與求值，跟在上鍊鍊路預算中並無不同。唯一特別注意的是，因為本模擬