總計畫之模擬平台發展成果

4.1.1 細胞架構設計

在進行系統模擬時，環境考量的合理與否，以及系統參數的設定是否正 確都將直接影響研究成果是否具有參考價值。因此本模擬平台在設計細胞架 構時，除了採用第3 章所提之折疊技術外，也考量了鍊路預算(link budget)設 計。

在系統一開始準備建立時，涵蓋範圍估算是很重要的，而這個工作可以 透過鏈路預算這項工具來進行。不過要強調的是鏈路預算裡的多項參數的值 都是考慮一段時間的平均值，因此透過鏈路預算所算出的結果只能提供系統 建置初期的參考，實際的情形還是需要透過進一步的模擬才能清楚。表 4.1 是一個鏈路預算的範例，其中所列的鍊路預算範例所考慮的情況是使用者在

高速(120 km/hr)且使用語音服務(Voice Service, 12.2kbps)，並考慮接收機 (Receiver)的頻寬為 5MHz，且環境溫度在 293K(20°C)。

在鍊路預算中的每一個參數都具有其物理意義，也反映出真實系統中的 環境變因。為了要真實的模擬系統的環境，這些環境參數都必須要合理的反 應出真實的現象，才能讓系統模擬的結果更具有參考價值。本模擬平台所考 慮之環境參數如下：

z Max. mobile transmission – 手機發射訊號所能達到的最大功率，單位 是dBm。

z Mobile antenna gain – 手機天線的增益，此項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。

z Body loss – 手機發射訊號經過人體時所衰減的程度。此項為不為零時 通常代表使用者將手機貼著耳朵使用，此項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。

z Thermal noise density – 背景熱雜訊的密度與溫度呈正比關係，公式為

No=KT。T 為所考慮環境的凱氏溫度，K 為蒲朗克常數： 。 單位為(dBm/Hz)。

z Base station receiver noise figure – 在經過基地台接收機時，訊號雜訊 比會因為射頻(RF)元件的作用而引入額外的雜訊，此項代表訊號雜訊比 (SNR)惡化的程度。單位為 dB。

z Receiver noise density – 在基地台 RF 接收設備的輸出端，等效的熱雜 訊密度。單位為(dBm/Hz)。

z Receiver noise power – 在已知熱雜訊密度的情況下，考慮濾波器是理 想的情況，所收到的熱雜訊強度便是該位置的熱雜訊密度乘上濾波器的 頻寬。單位為dBm。

1.38 10 ×

Transmitter(mobile) Max. mobile transmission[dBm] 21 a Mobile antenna gain[dBi] 0 b Body loss[dB] 3 c

Equivalent Isotropic Radiated Power[dBm] 18 d=a+b-c

Receiver(base station)

Thermal noise density[dBm/Hz] -173.933e => No=KT;K=1.38*10^(-23),T=293

Base station receiver noise figure[dB] 5 f Receiver noise density[dBm/Hz] -168.933 g=e+f

Receiver noise power[dBm] -101.943 h=g+10*log10(5000000) Interference margin[dB] 10 i=max. planned noise rise Receiver interference power[dBm] -92.4004j=10*log10(10^((h+i)/10)-10^(h/10)) Total thermal noise+interference power[dBm] -91.9428 k=10*log10(10^(h/10)+10^(j/10)) Processing gain[dB] 24.97971 l=10*log10(3840/12.2)

Required Eb/No[dB] 0.897314m( required SIR is 1/256 in linear )

Receiver sensitivity[dBm] -116.025 n=m-l+k

Base station antenna gain[dBi] 0 o Cable loss in the base station[dB] 2 p Fast fading margin[dB] 0 q

Max. allowable propagation loss[dB] 132.0252 r=d-n+o-p-q

Coverage probability[%] 95 Log normal fading constant[dB] 8 Propagation model exponent 3.52 Log normal fading margin[dB] 9 s Soft handover gain[dB],multi-cell 0 t In-car loss[dB] 8 u

Allowed path loss for cell range[dB] 115.0252 v=r-s+t-u 表4.1 鍊路預算範例

z Interference margin – 系統所規劃準備承受的最大干擾(Interference)強 度，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。之所以會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，此值是不會隨系統其他參數或演算法而有所改變，故以此為比較 的基準。

z Receiver interference power – 在基地台 RF 接收設備的輸出端，所規劃 承受的最大干擾強度，單位為dBm。

z Total thermal noise + interference power -在基地台 RF 接收設備的輸出 端，所規劃承受的最大干擾加上熱雜訊強度，單位為dBm。

z Processing gain – 在 CDMA 系統中，訊號由於在傳送端經過展頻而在 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(Bit rate/Chip rate)，bit rate 為訊號的位元傳輸率，chip rate 則為展頻碼的產 生速率。此項的單位為dB。

z Required Eb/No – 使用者所使用的服務所對應需要的訊號品質。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(Co-Channel)訊號所造成的干擾(Interference)密度。若我們將 Eb/No 除以 Processing gain，則代表分子乘上訊號的位元傳輸率，此時 分子便成為每秒鐘訊號平均所含的能量，也就是訊號的功率強度。而分 母乘上展頻碼的產生速率則成為了雜訊加上干擾的功率強度。由此可知 Eb/No 事實上是一個功率的比值，單位為 dB。Required Eb/No 會影響到 接收機在BER(Bit Error Rate)的表現，其之間的關係並非線性，而是需 要透過基頻(Base-band)系統模擬找出兩者對應的關係。這兩者之間的關

係會隨著傳送接收機(Tranceiver)的設計而有所不同，換句話說，傳送接 收機設計的不好時，在同樣的Eb/No 下，會造成較高的 BER。反過來 說，Required Eb/No 的設定出發點是為了要能滿足特定的 BER，因此使 用不同服務型態時對BER 的要求會不同，也連帶會使 Required Eb/No 會不一樣。

z Receiver sensitivity – 其定義式為 Required Eb/No – Processing gain + Total thermal noise + interference power。其中 Required Eb/No –

Processing gain 也就是 Required SIR，此項為滿足一定的 BER(Bit Error Rate)時所對應需要的訊號品質。Required SIR + Total thermal noise + interference power 是所需要的訊號強度，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。由此可知 Receiver sensitivity 所代表的意義便是，當系統處在最惡劣的情況時，在基地台 RF 設備的輸出端所要求訊號須滿足的最低強度，其單位為 dBm。

z Base station antenna gain – 在基地台所使用天線的增益。此值為零的 時候代表使用無指向性(Omni-Directional)天線，若不為零時則代表使用 指向性天線。通常使用指向性天線伴隨著細胞分隔(Sectorize)技術的使 用，若使用無指向性天線時則否。單位為dBi。

z Cable loss in the base station – 一般基地台的高頻設備都架在樓頂，與 機房之間有一點距離，中間會使用同軸電纜傳遞訊號，因此必須考慮訊 號在同軸電纜中有遭受到的損耗。單位為dB。

z Fast fading margin – 由於功率控制的機制會試著去克服通道衰落的影 響以期使接收訊號的訊雜比(SIR)可以維持在欲鎖定的目標，因此在接 收端訊雜比要求不變的情況下，傳送端的功率變化將會與通道衰落中的 快衰落(Fast Fading)變化的幅度一致。因此我們知道傳送端的功率將會 是在一個區間內起伏變化，雖然它的平均為零，但仍需預留一段空間確 保傳送端有足夠的空間調整功率以因應快衰落突然變嚴重。此參數在使

用者移動速度不快時特別需要考慮，因為此時閉迴路功率控制(Close Loop Power Control)機制較能跟得上快衰落的變化，因此傳送端的功率 變化會比較劇烈。至於當使用者移動速度很快時，由於閉迴路功率控制 根本無法跟上通道快速的變化，因此傳送端功率的變化幅度反而不大，

此時會直接提高Required Eb/No 來因應通道的變化。

z 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。

z 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。原因在於當使用者位在涵蓋區邊界上的不同位置 時，由於各位置與基地台之間所遭受到的遮蔽衰落(Shadow Fading)情況 都不相同，因此訊號所遭受的傳播損失亦不相同。詳細原理將在3-3 說 明。

z Log-normal fading constant – 在 3-3 將會提到遮蔽衰落的影響大小，在 統計上會呈現一個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，會根據環境不同 而有所改變。

z 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。

z Log-normal fading margin – 前面提到遮蔽衰落的影響大小會呈現一 個Log- normal 的分佈，因此若把可容許最大傳播損失的門檻(Threshold) 設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。為了達到 Coverage probability

所要求，我們必須在所規劃的最大傳播損失中，多預留一些空間因應遮 蔽衰落的變動。由於遮蔽衰落是呈Log- normal 的分佈，因此在已知 Log-normal fading constant 時，我們便可算出所需要的 Log-normal fading margin。在下一節的範例中將會舉例說明。此項的單位為 dB。

z 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，因此等效上會有一個增益是由於採用軟式換手 技術所達成的。單位為dB。

z In-car loss – 當考慮使用者是高速移動時，使用者幾乎都是位在車輛或 是其他的載具之內，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，便是本項所代表的意義。單位為dB。

z 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。此值 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，我們便可規劃出這個基地台在滿足各種條件情況下的有效 涵蓋半徑為何。

4.1.2 系統模擬環境建立

了正確的模擬系統的運作情形，建立一個接近真實的模擬環境是非常重 要的。本模擬平台所考慮之無線通道效應根據產生的原因可以區分為三種：

路徑損失(Path Loss)､遮蔽衰落(Shadow Fading)與多路徑衰落(Multi-path Fading)。在 4.1.2.1 ~ 4.1.2.3 節中將分別詳細說明這些通道效應的模擬方法。

4.1.2.1 路徑損失模型(Path Loss Model)

路徑損失模型是用來表現訊號於空間中傳播時，其強度會隨兩點間距離

的增加而衰減。本模擬平台提供三種典型的無線通訊系統環境，以及三種相

的增加而衰減。本模擬平台提供三種典型的無線通訊系統環境，以及三種相