在本章中，首先在 1.1 節介紹 5G 之背景，其次在 1.2 與 1.3 節分別說明 毫米波通訊與路徑損失，然後在 1.4 節討論公平性原則，最後在 1.5 節陳述 本論文之研究動機。1.6 節則是章節安排。
1.1 5G 的背景
隨著時代的發展，人們對高數據速率服務的需求不斷增長。為此， 5G無 線通信被提出來應對不斷增長的需求。
對於 5G 無線通信來說，其技術創新的特點如下：
毫 米 波 (mmW) 通 訊 ： 毫米波是指波長在毫米數量級 (order of magnitude)的電磁波，其頻率一般在6 GHz以上。由於目前無線網路 所使用的5 GHz以下頻段已經壅擠，因此如果要使用新的頻譜資源，
須使用毫 米 波 技 術 [1]；
微 基 站 (small cell base station)技術：由於 毫米波 通訊頻率高，
波 長 短，導 致 其 主 要 問 題 為 高 穿 透 損 耗 (penetration loss)。為 此 ， 若 使 用 微 基 站 技 術 [2]–[7]， 可 使 得 功 耗 大 幅 度 降 低 。
大規模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, Massive MIMO)相控陣列天線：使用大量天線並進行同步處理，使小基站能 向更多用戶發送和接收訊號，以大幅度提升網路容量[8]；
波 束 自適 應 和 波 束 賦 形 (Beamforming)：使 用 大規模多輸入多輸
出技術，可控 制 訊 號 使 其 能 對 準 用 戶 ， 具 有 方 向 性 [9]；
設 備 -設 備 通訊 技 術 (Device to Device, D2D)：使用 5G 技 術 時，
可 無 須 透 過 基 地 台 傳 送 訊 號，而 是 透 過 相 鄰 的 用 戶 直 接 連 線，
以 降 低 基 地 台 的 通 道 資 源 [10]。
相對於4G，5G具有許多優勢，其中包含極高的資料傳輸速率達10 Gbit/s、
較低的延遲、能更快回應等，詳述如下：
延 遲 (delay)低：4G由於先天的限制，會有10 ms以上的延遲，這導 致無法適用於一些重要場合，如自動駕駛、手術等。5G卻可以達到 5 ms以下的延遲[11]；
資料傳輸速率更高：隨 著 物聯 網 發 展、照 片 辨 識 率 的 提 升 等 因 素，對 高數據速率服務的需求愈來愈高。為此，需要5G來應對其需 求[12]；
低功耗：由於毫米波技術的缺點，需使用微基站技術，使得用戶功 率消耗大幅度下降[13]。
因此， 5G可利用這些優勢發展出許多應用服務，例如：移動醫療(Mobile Health, M-Health)、自動駕駛、車聯網(Internet of Vehicles，IoV)、物聯網 (Internet of Things, loT)等，如圖1-2。
在本篇論文，我們主要探討5G的毫 米 波 技 術 與 波 束 賦 形 技術，詳見於 2.1與 2.3節 。
圖 1-1：5G 應用場景[14]。
1.2 毫米波(mmW)通訊
毫 米 波 通 訊 是 5G技 術 中，資料傳輸速 率 高 於 4G的 原 因 之 一。其 中 ， 毫 米 波 的 頻 段 大 約 在 30-300 GHz[11]， 目 前 主 要 運 用 在 28 GHz。 而 在 28 GHz 頻 段 ， 5G網 路 的 可 用 頻 寬 達 1 GHz [10]。
相 對 於 4G微 波 通 訊 (Microwave, μW)來 說 ， 毫 米 波 通 訊 具 有 嚴 重 的 路 徑 損 耗 (path-loss)以 及 高 穿 透 損 耗 (penetration loss)。為 此，可 利 用 筆 型 波 束 (pencil beam)[6],[7]，以 克 服 上 述 的 缺 點，詳 見 於 2.1與 2.3 節。由於筆 型 波 束 極 少 遭 受 干 擾，使 得 干 擾 並 非 毫 米 波 技 術 的 主 要 議 題 ， 這 與 4G微 波 網 路 非 常 不 同 。 第 三 章 中 ， 我 們 針 對 毫 米 波 的 通 訊 特 性 ， 提 出 新 的 連 線 方 法 ， 並 整 理 成 連 線 最 佳 化 問 題 ； 除 此 之 外 ， 我 們 並 提 出 對 應 的 演 算 法 ， 如 第 3章 所 述 。
1.3 路徑損耗
在本篇論文中，我們需要測定訊號雜訊功率比(signal-to-noise ratio, SNR)，
簡稱訊雜比，以作為連線最佳化問題的參數。為此，我們運用[5]中透過實地 測量所獲得的統計模型，其中包含：以用戶與 AP 間之距離為變數的路徑損 耗(path loss)函數、不同頻率與不同鏈路狀態所對應之參數等。如此一來，若 用戶與接入點(access point, AP)的位置為已知，便可計算出訊雜比SNR，詳細 計算如2.2節 所 述 。
1.4 公平性原則
由於5G毫米波網路與4G網路考慮的主要問題不同，因此，須提 出 的 新 的 連 線 最 佳 化 問 題 與 演 算 法。為 此，在 2.4 節 中，我 們 介 紹 了 幾 種 常 見 的 公 平 性 原 則，如 具 權值的比例公平性(Weighted proportional fairness)、
最小潛在延遲公平性(minimum potential delay fairness)、與最大最小公平性 (max-min fairness)等，可作為連線問題的考量[15]。在本篇論文中，主要使 用比例公平性作為連線問題的公平性原則。
1.5 論文動機
面對不斷增長的高數據速率服務之需求，在5G網路中，將使用毫米波技 術，以提高資料傳輸速率。在本論文中，如 1.2 節所述，我們提出新的連線 方式，能顯著地提高系統吞吐量與公平性。
尤其，我們考慮用戶本身的需求，以免造成不必要的資源浪費，並可進 一步提高網路的吞吐量。
在本篇論文中，我們的主要貢獻總結如下:
提出新的連線最佳化問題，做為用戶連線的方法；
類似[6]，將最佳化問題改寫成多維分配問題，並使用對偶分解(dual decomposition)法進行求解；
類 似 [6] ， 針 對 對 偶 分 解 (dual decomposition) 法 ， 提 出 集 中 式 (centralized)與分散式(distributed)的演算法，以解決多維分配問題；
考慮用戶本身的需求，在最佳化問題加入需求限制，提出一種遞迴 的演算法；
使用權重以對應用戶的需求，並針對新的最佳化問題，提出分散式 演算法。
1.6 章節安排
在本篇論文中，其餘章節的安排如下。在第二章中，我們介紹相關文獻，
以說明求解連線最佳化問題時所需要的基礎相關。在第三章中，我們首先陳 述主要探討的連線最佳化問題；接著，針對該連線最佳化問題，提出集中式 (centralized)與分散式(distributed)演算法；最後，我們考慮用戶需求，分別加 入需求限制與權重後，並整理為對應之連線最佳化問題。在第四章中，我們 利用電腦模擬所提出的演算法，並展現數值結果與討論。最後，我們的結論 放在第五章。