論文架構 - . 簡介 - LTE下鏈路非連續接收機制中支援服務品質資源分配演算法

第一章 . 簡介

1.3. 論文架構

接下來的章節中，第二章會先說明本篇論文使用的系統環境。接著會詳細的說明長程演進技術下行鏈路的訊框以及資源分配架構。再來會深入的說明前一節相關的資源分配演算法的每一個步驟。最後是長程演進技術在非連續接收機制底下的運作模式。

第三章一開始會完整的探討在非連續接收機制底下做資源分配將會碰上的問題。接續我們會提出兩個感知型非連續接收模式的資源分配演算法，盡可能地降低非連續接收模式對網路效能造成的影響。

第四章會先說明模擬環境的參數設定以及模擬器的基本架構，我們將在一個系統層級的模擬器下比較本篇論文的實驗結果。接著我們會先模擬傳統資源分配演算法之效能以更瞭解其原始特性。再來我們模擬幾種不同的非連續接收參數配置，分析資源分配演算法受到的影響以選出一組合適的非連續接收參數設定。最後以模擬結果比較傳統的資源分配演算法與我們提出之資源分配演算法在非連續接收模式中的效能。比較標的將包含系統的吞吐量、整體的資料遺失率和省電效率。

最後，本篇論文將在第五章中做一個完整的總結。

第二章.

系統模型

2.1. 系統環境

本篇論文中，我們的環境為一個演進型基地台連接多個使用者的單一細胞 (single-cell)分頻多工存取的長程演進技術系統，並且只考慮下行鏈路的資料傳輸(如圖 1)。使用者在每一次通話(session)期間只會使用一條即時性或者非即時性其中一種型態的訊務。其中和分別表示使用即時性和非即時性訊務的使用者集合。接著表示所有使用者的集合。

圖 1. 單一細胞的長程演進系統模型

分頻多工存取技術中，時間軸被分割成區間為的訊框，每個訊框再切分成許多區間為的子訊框，每個子訊框由兩個時槽(time-slot)所組成。頻域上，一個訊框則被切分成個子頻道。在長程演進技術中，動態排程(dynamic scheduling)的時間間

隔為 , -，演進型基地台會分配一條佇列給使用者 (如圖 2)存放正在使

用的訊務資料。針對使用即時性訊務的使用者，我們將其對服務品質的要求定義為延遲上限(delay bound)和遺失率容忍度(loss-rate tolerance)，分別用和來表示，

並且佇列可再切分成許多子佇列，每個子佇列中的資料還能夠存活於中的時間長度，資料延遲若超過延遲限制將會被丟棄。而 , -和

, -則表示在子訊框的開始時和的長度。

圖 2. 使用者佇列模型

2.2. 長程演進技術資源架構

在長程演進技術中，演進型基地台負責執行無線電資源管理。無線電資源管理可以由上到下分為三層。協定第三層 (Layer 3) 包含資料匯聚通訊協定 (Packet Data Convergence Protocol，PDCP)對上層封包進行資料保密與壓縮；無線資源控制(Radio Resource Control，RRC)管理每一條訊務的資料，根據訊務不同的服務品質需求以承載 (bearer)的方式對進行分類。協定第二層(Layer 2)包括無線電連結控制(Radio Link Control，

RLC)負責資料的重傳以及對媒體存取控制(Media Access Control，MAC)層進行訊框切割和重組；媒體存取控制主要負責無線電資源分配，考量系統使用者的需求、目前系統承載…等等因素有效地使用頻譜資源。協定第一層(Layer 1)為實體層(Physical Layer，PHY)，

負責通道品質指示管理(Channel Quality Indicator Manager)以及在無線通道上進行資料傳送。無線電資源管理可分為半動態(semi-dynamic)機制和動態(dynamic)機制[4]。協定第三層屬於半動態機制，也就是在承載被建立時或是每隔一段區間才會被執行。而協定第二層與協定第一層則屬於動態機制，被定義為每個傳送時間間隔(Transmission Time Interval，TTI)都要執行一次。在長程演進技術中，傳送時間間隔的長度為。

長程演進技術下行鏈路的無線通道是基於正交分頻多工存取技術進行傳輸，無線電資源是由時域和頻域的二維空間定義而成。在時域上，訊框的長度為十毫秒。圖 3為訊框與子訊框在時域中分割的方式，每個訊框中由十個長度為一毫秒的子訊框組成，子訊框的長度等同於一個傳送時間間隔。子訊框中的資源被切割成兩個時槽，每個時槽的長度為零點五毫秒。傳送時間間隔中包含十四個正交分頻多重符號(OFDM symbol)，其中第一到第三的正交分頻多重符號稱作實體下傳控制通道負責傳送資源分配訊息。而訊務資料將會被放在其餘的正交分頻多重符號中傳送，稱作下傳共享通道(Physical Downlink Shared Channel，PDSCH)。在頻域上，頻譜可以被切割成許多相同寬度的子通道，每一個子通道包含十二個寬度為一百八十千赫茲的子載波。在長程演進技術實體層中，時域上一個時槽與頻域上一個子通道構成最小的資源單位稱作資源區塊(resource block，RB)

(如圖 4)。根據不同的系統頻寬，一個子訊框中將會擁有不同數量的資源區塊。另外，

時域上連續兩個資源區塊組成一個資源區塊對(RB pair)，封包排程器每次在子訊框中做資源分配時以資源區塊對為最小單位分配給使用者[9]。當使用者獲得某個資源區塊對時，

表示該使用者佔用子訊框中該資源區塊對所在的整個子頻道，一個子頻道只會由一個使用者佔用。

圖 3. 長程演進技術訊框架構(省略其他控制通道)

實體下傳控制通道的訊息中，除了有子訊框中資源分配的結果還包含使用者可以使用的調變及編碼方式(Modulation and Coding Scheme，MCS)。使用者裝置必頇探測通道品質並且週期性地回報通道品質指示(Channel Quality Indicator，CQI)給演進型基地台進行排程決定和連結調整。演進型基地台會根據使用者裝置的通道品質決定可以使用的調變及編碼方式，並將結果放置於實體下傳控制通道中通知使用者裝置。而為了提升可靠性，實體下傳控制通道一律採用四相移鍵控(QPSK)的調變方式進行傳輸[4]。當使用者解碼實體下傳控制通道獲得某個數量的資源區塊對後，使用的調變及編碼方式將會決定在此傳送時間間隔中可以傳送的資料數量。

在我們的系統中，將會採用適應性調變編碼(Adaptive Modulation and Coding，AMC)

根據使用者裝置的通道品質選擇適合的調變及編碼方式，以提升傳輸品質的可靠性。使用者裝置採用理想的方式回報通道品質指示不考慮回報延遲，因此每隔一個的時間便傳送通道品質指示給演進型基地台進行連結調整。使用者裝置根據可以使用的調變及編碼方式便可計算出在每個子通道上可達到的瞬時速率(instantaneous rate)。

圖 4. 長程演進技術資源分配架構圖(省略控制)

2.3. 傳統的資源分配機制

資源分配演算法會在每一個子訊框開始時執行資源分配，我們將此子訊框標示為子訊框。, -表示在子訊框開始時，使用者在子通道可以達到的瞬時速率。 ̅ , -表示統計到子訊框，使用者的平均傳送速率。表示使用者在子頻道上的度量衡。最後用 , -表示使用者在子訊框中可傳送的資源總量。

A. 等比例公平演算法(PF)

由於等比例公平演算法是從分碼多工存取系統中發展而來，資源分配的基本單位只包含時域的概念，因此在分配資源時只要在該時間點挑出一個度量衡(metric)最大的使用

者裝置。但在分頻多工存取系統中，資源單位是由時域與頻域的二維空間所組成，我們可以將子訊框裡每個資源區塊獨立地做分配[10]，每次將資源區塊對分配給在該子頻道上度量衡最大的使用者裝置，接著更新該使用者裝置的平均傳送速率，再進行下一個資源區塊對的分配，直到耗盡所有資源區塊對為止。以下是在一個子訊框中，等比例公平演算法的完整步驟：

1) { , - ̅ , -}

2) , - . , - , -/ , - ̅̅̅̅, -

, - 這三步驟會重覆執行直到為止。

雖然等比例公平演算法提供很好的資源分配公平性，但是沒有考慮即時性訊務的延遲限制或是遺失率容忍度，無法為使用即時性訊務流的使用者提供任何的服務品質保證。

當啟動非連續接收模式後封包延遲將會更加嚴重，服務品質會受到更大的損害。

B. 最大延遲優先演算法(M-LWDF)

最大延遲優先演算法的目標是保證使用者的遺失率 ( ) ，度量衡 , - , - ̅ , -。其中 , -為在子訊框開始時的最前線封包延遲，是一個為正的常數，其中 ⁄ 已經被證明是一個很好的參數設定值。整個演算法執行的步驟如下：

1) { , - ̅ , -}

2) , - . , - , -/ , - ̅̅̅̅, -

, - 這三步驟會重覆執行直到為止。

根據最大延遲優先演算法的度量衡計算方式，使用者的優先權會受到延遲限制、遺率失容忍度和佇列最前線的封包延遲影響，藉以保證即時性訊務的服務品質。但是並沒有針對非即時性訊務做參數設定的討論，因此我們令非即時性訊務的。很顯然地，

在非連續接收模式中分配資源時只考慮最前線的封包延遲對於保證服務品質並不是最佳的。

C. 方法[1]

方法[1]的目標是保證即時性訊務的服務品質前提下，最大化系統的吞吐量。在子訊框開始時將資源分配分成兩個回合進行：第一回合中只考慮使用者定義其在

子訊框結束時的當前遺失率(running loss rate)

, - _{, -}^{, -}_{, -} ( 1 )

其中 , -和 , -分別表示在子訊框結束時，使用者累積傳送和遺失的資料量。依照當前遺失率的定義，根據使用者的延遲限制、佇列長度和在子訊框中使用者可能得到的資源數量，使用者在子訊框結束時的當前遺失率可以修改成

, - _{, -}^{, -}, - ( ^{, - (} ^{, -}, - ^{, -)}, -)， , - , - ( 2 )

接著根據遺失率容忍度，令 , - 計算出在子訊框中滿足遺失率容忍度所需要的最小所需頻寬 , -，若 , - 則將使用者加入集合，接著將資源分配定義為滿足最小頻寬下最大化系統吞吐量將之問題。第二回合考慮使用者，以最大速率演算法分配剩餘資源。以下是此演算法在兩個回合中執行的完整步驟：

First Round

1) { , -}

2) , - . , - , -/

, -

, - ( , - , -) , -

, - ，

這三步驟會重覆執行，若 , - 且則進入第二回合。否

在文檔中 LTE下鏈路非連續接收機制中支援服務品質資源分配演算法 (頁 14-0)