1.1 研究動機與背景
近幾年由於資訊技術日新月異，加上個人行動裝置的蓬勃發展與高速的演進，
因此用戶對於網路服務的需求越來越高也越來越多元，當前的無線網路裝置為滿 足大眾的需求，必須支援多樣資料流的混合傳輸，例如:視訊會議、即時多媒體服 務、網路電視以及高速移動之行動裝置網路服務。3GPP(3rd Generation Partnership Project)所提出的長期演進計畫改革(Long Term Evolution, LTE)網路服務，為了滿 足那些具有高品質寬頻服務需求的移動裝置用戶，建置新興的 4G LTE 寬頻無線 存取網路，架構在先進技術強而有力的支持下，可以解決室外無線傳輸效能並保 證移動裝置獲得的服務品質(Quality of Service，QoS)質量，其擁有先進的半成熟 技術、標準化的規範，致力於提升無線寬頻網路的存取效益，優勢在於提供高傳 輸 速 率 (High Data Rate) 、 具 高 度 流 動 性 (High Mobility) 及 良 好 的 抗 衰 落 性 (Fast-fading)且能涵蓋廣大的覆蓋區域 (Coverage)、降低網路建設成本等，LTE 是 全球行動通訊系統 (Global System for Mobile Communications, GSM)超越 3G 與高 速下行封包存取(High-Speed Downlink Packet Access, HSDPA)階段邁向 4G 的進 階版本，在 2010 年 12 月 6 日以前 LTE 僅被稱為 3.9G，之後國際電信聯盟 (International Telecommunication Union, ITU)把 LTE 正式定義為 4G 網路。在 LTE 中 3GPP 使用正交分頻多工存取 (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)作為其下行鏈路的主要系統結構，上行鏈路方面則採用單載波分頻多工
（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA）。SC-FDMA 因 其特殊的單載波結構，其訊號具有更低的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，可以降低放大器的工作區間，並且節省行動裝置用電，延長行用 裝置的電池壽命。LTE 除了使用 OFDMA 之外，還結合多輸入多輸出（Multi-input
Multi-output, MIMO）與混合式自動重送請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ），在這一些機制之下，LTE 系統可以隨著當下可用的頻域不同而使用不 同大小的頻帶，此一機制即使其的移動能力優越於全球互通微波存取（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX）。除此之外，在近期的測試探討 中，南韓電子通訊研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute, ETRI）應用 LTE 網路架構，以時速 120 公里的移動的行動終端設備與基地台成 功進行資料的傳輸；諾基亞（Nokia）曾以 LTE 系統架構，在 2.6GHz 頻段上完 成速率約為 173Mbps 的資料傳輸現場測。由以上敘述可知，在 LTE 系統技術日 益成熟的趨勢之下，未來的網際網路系統將無可避免的由目前傳統的接取式網路 技術晉升到廣域寬頻網路，甚至更進一步的取代當前電信業務；若以當前台灣用 戶數目最多的中華電信為例，該業者的行動電話用戶直至去年底已經突破 1000 萬，而全台灣目前開通行動上網服務的手機門號已經超過 2059 萬，由此可見人 們對於通訊網路的需求及期盼皆越來越高，行動通訊網路的應用已經漸漸深入目 前人類的生活重心，變成不可或缺的生活必需，可以想見的是當未來無線寬頻網 路技術取代了舊有的接取式網路存取技術後，因為其高度的可攜性和傳輸效率，
LTE 系統將會大幅度的改變人們的日常生活與工作模式，提升生活品質與效率，
而 LTE 系統所使用的核心技術必定也會是下一世代行動通訊所參考應用的方向。
4G 網路建構的紮根及落實是台灣行動通訊領域進步速度與幅度的重要指標，在 此觀點之下，LTE 系統將是一項重要的領先技術，不論在經濟上或生活上，都將 會佔有重要地位的一項未來科技。研究者對 LTE 的研究與測試上都十分積極，期 待在通訊系統的研究領域中保持相當的優勢以及領先。
1.2 研究目的
近年來由於資訊傳遞的發達以及網路技術的進步，帶動了許多應用程式和資
料傳輸的發展，尤其以影音多媒體發展的範圍最為廣大且快速，因此人們對於傳 輸具有高服務品質(Quality of Service, QoS)的多媒體資料渴求也日益增多，為了增 加生活的便利性以及實現地球村的理想世界，無線網際網路發展出許多不同的資 料應用，如網路語音電話(Voice over IP, VoIP)、串流影音(Streaming Video)或視訊 會議(Video Conference)等。這些多媒體技術可以運用在視訊點播、遠程教學、遠 層(Transport Layer)和其下的實體層(Physical Layer, PHY Layer)之間充作一個介面，
在提高無線資源的使用率上佔有不可或缺的重要地位。由於媒介存取控制層 (MAC Layer)負責處理物理層(PHY Layer)的允入和相同網絡體系中的協調、傳輸 等各項事宜。由於目前的無線網路技術都具有媒介存取控制層(MAC layer)，通道 狀態就成為評判無線網路品質好壞的最重要因素。無線網路系統的媒介存取控制
層(MAC Layer)協議用於在不同通道狀態下提出不同的策略，因此，媒介存取控 制層(MAC Layer)能夠依據通道狀態的變化，動態地改變訊息的調變以及編碼方 式，以維持多樣化資料流的 QoS 要求。在多樣化複合的網路環境中，用戶對於資 源的需求也會有多樣化的不同，要如何適切的分配資源，一直是現下許多研究著 重的問題。尤其是當 LTE 系統相較於過去的 WiMax 系統提出不同的上行鏈路傳 輸機制 SC-FDMA，其在傳輸的限制與條件上與原始的 OFDM 系統有相當大的不 同，因此我們相信這篇論文所探討的內容是個值得深究的研究議題。
1.3 其他相關研究
對於 LTE 上行鏈路排程架構之研究相較於下行鏈路來的稀少，主要是因為 SC-FDMA 系統與過往的 WiMax 系統皆不相同，無法沿用舊有的 WiMax 的系統 機制，且 SC-FDMA 相較於過往的 OFDM 系統在資源分配的限制上有部分的改變，
例如在資源塊的分配上，為了保持 SC-FDMA 的單載波特性，在資源的分配上要 求對單一使用這而言，其所得到的資源塊在同一時間點的頻域上必須為連續，這 一部分在設計上需要多加注意。文獻[2]中以賽局理論為基礎，提出上行鏈路排程 演算法，但實則並無考慮到 SC-FDMA 中資源塊須連續分配的要求，因此此一排 程演算法實在不適合遷入實際的 SC-FDMA 的系統當中；文獻[3]將延遲(Delay) 考慮進排程演算法中並且合併資源塊連續要求，站在系統的角度，旨在降低系統 的整體傳輸延遲，但其實驗結果有相當大的質疑點，若考慮延遲，且屏除不適合 的用戶與 RB 支配對，那在公平性上必定會有所犧牲，甚或是大量的用戶可能被 阻絕傳輸，得不到系統資源，但是其所展示的實驗結果卻不然，我們認為在這一 方面，文獻[3]有相當大的質疑點；文獻[4][5][6]分別以連續資源限制為主要考量，
提出適性的排程演算法及求解法。其中文獻[4]主要以提升系統資源分配的公平性 為目標，期望在依照通道狀況為主要參考依據情況下，還能兼顧資源分配的公平
性，但是若是依照正常現實狀況，用戶本身的需求即為不相同，單考慮公平的分 配資源是相當不切實際的；而文獻[5]以線性代數的計算，算出最佳的解，可以最 大化系統傳輸效益，但具有過高的複雜度而難以實行，較具參考性的則是其所提 出的第二套演算法─貪婪式次佳化演算法(Greedy suboptimal algorithm)，雖其效能 遠不及於其所提出的最佳化演算法，但因為複雜度較低，執行的可能性較最佳化
使得整體的資源分配機制更能符合現實情況與需求。
1.4 論文架構
本論文架構如下：第一章為緒論簡介，第二章我們說明 3GPP LTE 中上下行 鏈路傳輸的相關知識與介紹，並特別著重於 SC-FDMA 系統架構介紹，第三章將 先說明我們改進上行鏈路排程架構的主要動機與目的，再者我們將詳盡說明我們 提出的演算法知詳細流程結構，第四章展示我們模擬結果與討論，第五章則為我 們所提出的結論。