第一章 緒論
1.4 論文架構
本論文組織如下：第一章為緒論介紹，第二章詳細介紹無線通訊以及 D2D 技術之相關知識，第三章詳細說明本論文所提出之演算法，第四章說 明數值分析與模擬結果，第五章為本論文之結論。
第二章 相關知識介紹
2.1 LTE 長期演進技術無線網路系統概述
第一代行動通訊(First Generation, 1G)是在1980年時由Bell公司開始經 營 HCMTS(High-Capacity Mobile Telephone System) ， 後 來 發 展 成 AMPS(Advanced mobile phone service)，第一代行動通訊為類比系統。第二 代行動通訊技術(Second Generation, 2G)是在1992年開始使用，第二代行動 通訊為數位化系統，其標準為GSM與CDMA系統，提供數位語音以及低速 率數據的服務，並且改善了頻率效應、提高通話品質以及降低所造成的干 擾。第2.5G行動通訊技術是運作在2G與3G之間的通訊技術，連接速度介於 兩者之間，第2.5G行動通訊使用通用封包無線服務(General Packet Radio Service, GPRS)系統採用了封包交換技術。第2.75G系統中增強型數據傳輸 (Enhanced Data rates for GSM Evolution, EDGE)提高了傳輸速率，與原本 GSM 系 統 相 比 之 下 傳 輸 速 率 高 出 三 倍 。 第 三 代 行 動 通 訊 技 術 (Third Generation, 3G)著重於的部分為多媒體服務以及高速率傳輸，以提高人們 的生活品質為主要目的。其中3G行動通訊之協定可大致分成三種不同的系 統，美國的規格為分碼多工存取2000(Code Division Multiple Access 2000, CDMA2000) ，歐洲的規格為寬頻分碼多工存取(Wide band Code Division Multiple Access, WCDMA)，大陸的規格為分時同步分碼多工存取(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access, TD-SCDMA)。儘管如 此這三種標準都屬於CDMA的技術，但彼此卻是無法相容的。
在 1998年 年 底 成 立 了 第 三 代 合 夥 計 劃 (Third Generation Partnership Project, 3GPP)，主要目的為實現2G網路至3G網路的過渡期，並且要完整定 義出3G無線網路規範，其中3GPP的組織中共有六個組織所組成，包括有歐
洲 電 信 標 準 化 委 員 會 (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) 、 北 美 無 線 通 訊 工 業 解 決 聯 盟 (Alliance for Telecommunications Industry Solution, ATIS)、電信技術委員會(Telecommunications Technology Committee, TTC)、韓國的電信技術協會(Telecommunications Technology Association, TTA)、日本的無線行業企業協會(Association of Radio Industries and Business, ARIB) 以 及 中 國 通 訊 標 準 協 會 (China Communications Standards Association, CCSA)。在2008年年底3GPP組織發佈Release 8的版 本，其內文中定義出長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)，在接下來 的Release 9版本中針對於SAES、WiMAX與LTE的相互操作的部分做了加 強，在2009年年底3GPP組織發佈Release 10版本實現了IMT-A的需求，並且 宣布在Release 10版本之後稱為LTE-Advanced(LTE-A)，也是我們俗稱目前 的4G網路，以下將介紹LTE-A的技術。
LTE-A 延伸了 LTE 的功能，為了達到 IMT-Advanced 的基本要求與提 供更良好的服務品質，在 LTE-Advanced Standard[14]簡介中將以下幾種為 重點的發展技術：
1. 載波聚合(Carrier Aggregation, CA)：將目前 LTE 載波做為基礎架構 匯集出更多個 LTE 載波來形成更大頻寬之載波，以滿足未來更高 頻寬之需求，如圖 2-1 所示。
2. 中繼站(Relay)：專門針對邊緣用戶者的活動範圍內以及通訊不良的 區域架設一個中繼站(Relay Node)來增強並重新發射上行鏈路以及 下行鏈路的訊號以改善服務品質，如圖 2-2 所示。
圖 2-1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖[14]
(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)
圖 2-2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖[14]
(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)
3. 協調式多點傳送與接收(Coordinated Multi-Point Transmission and Reception, CoMP Tx/Rx)：假設用戶位於在基地台邊緣，用戶本身除 了可向所註冊的基地台作資料交換，也能向相鄰的基地台作資料交 換，因此基地台與基地台之間就必須要達成協調以及波束成形 (Beam Forming, BF)的角度，以達到服務品質合作增益(Cooperative gain)，如圖 2-3 所示。
圖 2-3、LTE-A 系統之 CoMP Tx/Rx 協調式多點傳送與接收示意圖[14]
(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)
4. 增強型多天線傳輸(Advanced MIMO)：為了要增加頻譜的使用效率，
LTE-A 所採用的解決方案為增加 MIMO 的天線數量，在 3GPP 組織所提出 的 Release 8 版本中(LTE)定義下行鏈路為 4×4、上行鏈路為 1×2 的多天線 傳輸模式，而在 3GPP 組織所提出的 Release 10 版本中(LTE-A)定義了下行 鏈路為 8×8、上行鏈路為 4×4 的多天線傳輸模式，可看到 Release 8 到 Release
如圖 2-4 所示。
圖 2-4、LTE-A 系統之 Advanced MIMO 增強型多天線傳輸示意圖[14]
(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)
表 2-1 列出 LTE 與 LTE-A 系統之比較，從表 2-1 可觀察出 LTE 與 LTE-A 兩者最大的差異性在於傳輸速率以及頻寬的部分，用戶端下行鏈路 傳輸速率的部分從 150Mbps 提升到 1Gbps；上行傳輸速率的部分從 75Mbps 提升到 500Mbps；下行鏈路傳輸頻寬的部分從 20MHz 大幅增加到 100MHz；
而上行鏈路傳輸頻寬的部分從 20MHz 增加到 40MHz，整體而言，LTE-A 與 LTE 的系統容量相比高出三倍。
表 2-1、LTE 與 LTE-A 系統之比較表[14][18]
Technology LTE LTE-A
Downlink Peak data rate (Mbps)
150 1000
Uplink Peak data rate (Mbps)
75 500
Downlink Transmission bandwidth (MHz)
20 100
Uplink Transmission bandwidth (MHz)
20 40
Mobility
1. Maintain Links at speeds up to 350 km/h
2. High Performance at speeds up to
Full performance up to 5 km
1. Same as LTE 2. Should be
optimized or deployment in local areas/micro cell environments Scalable Band
Widths(MHz)
1.4, 3, 5, 10, 20 20-100
Capacity
200 active users per cell in 5 MHz
3 times higher than that in LTE
2.2 LTE 系統物理層架構
根據文獻[16] 3GPP Physical Layer Standard表示，LTE物理層(Physical
LTE系統將設計出不同大小之頻寬以及資源塊數量，頻寬的大小分別為1.4、
3、5、10、15以及20 MHz，共6種不同頻寬，其中對應的資源塊數量分別 為6、15、25、50、75以及100個，如表2-2所示。 波分頻多工存取 (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FMDA) 技術，其目的為減少峰值平均功率比。
在分工模式方面，可分成三種不同的模式，分別為半雙工分頻多工模 式(half-duplex FDD)、全雙工分頻多工模式(FDD)、以及全雙工分時多工模 式(TDD)。而在移動率方面，可以支援用戶端的移動速率為350 km/h。
在多天線模式方面，下行鏈路可使用2X2、4X2、4X4的多天線傳輸模 式，上行鏈路可使用1X2、1X4的多天線傳輸模式。
在調變模式方式，可使用四位元相位偏移調變 (Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以及64QAM，以
及其他的技術，例如：功率控制、鏈路動態調整、混合式自動重送請求 (Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ)，如表2-3所示。
表2-3、LTE系統相關參數[16]
Bandwidth 1.4-20 MHz
Duplexing half-duplex FDD,FDD,TDD
Mobility 350 km/h
Multiple access
Downlink OFDMA Uplink SC-FDMA
MIMO
Downlink 2X2, 4X2, 4X4 Uplink 1X2, 1X4
Modulation QPSK, 16QAM, 64QAM
Channel coding Turbo code
Other Techniques
Power control , Link adaptation ,
HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request),
Channel sensitive scheduling
在LTE系統中，資源分配方式是由資源塊(Resource Block, RB)為一 個基本的傳輸單位，其中資源塊是由時間域(Time domain)與頻率域 (Frequency domain)兩者所組合而成的。在資料傳輸的過程中最少以一 個資源塊為單位作的傳輸，在上行鏈路的資源塊為(𝑁𝑠𝑦𝑚𝑏𝑈𝐿 × 𝑁𝑆𝐶𝑅𝐵)個資
(𝑁𝑠𝑦𝑚𝑏𝐷𝐿 × 𝑁𝑆𝐶𝑅𝐵)個資源單位所建構而成，假若傳送之後的訊號經過多路 徑干擾通道時，將會造成前一個符元(symbol)的後端影響至下一個符元 的前端，這種問題稱為符元間的干擾(inter symbol interference, ISI)，如 果要解決這個干擾情形，必須在OFDM 符元的前端放入保護區間 (Guard Interval)，首先複製OFDM符元的後端信號並放入保護區間中，
則稱作是循環字首 (Cyclic Prefix, CP)，為了避免過長的循環字首，在 循環字首的方面必須限制在1/4的長度之中，以防止降低頻寬效益。循 環字首的使用方式會依據用戶所在之環境有所改變，例如在郊區以及 鄉下地區之用戶，則是使用延伸前置循環碼(Extended Cyclic Prefix)，
在市區以及都會地區之用戶，則是使用一般前置循環碼(Normal Cyclic Prefix)，如表2-4所示。
表2-4、LTE 資源塊(Resource Block)相關參數[16]
Configuration 𝑵 𝒔𝒚𝒎𝒃 𝑫𝑳 𝑵 𝑺𝑪 𝑹𝑩 𝑵 𝒔𝒚𝒎𝒃 𝑼𝑳 Normal Cyclic Prefix ∆f=15kHz 12 7 7
Extended Cyclic Prefix
∆f=15kHz 12 6 6
∆f=15kHz 24 3 N/A
一個單位資源塊，在時間軸方面為1 ms，在頻率軸方面可細分成12個 子載波，每一個子載波(∆f)為15kHz，而一個資源塊為180 kHz，如圖2-5、
圖2-6所示。
Unit Resource Block
One time slot
‧ ‧ ‧
Total System Bandwidth
180 kHz
‧ ‧ ‧
Unit Resource Block
Unit Resource Block
圖 2-5、LTE 系統之下行鏈路分配資源塊之規格[16]
12 subcarriers Resource Block:
7 symbols X 12 subcarriers (short CP), or;
6 symbols X 12 subcarriers (long CP)
Control Channel Region
Downlink slot
圖 2-6、LTE 系統之下行鏈路分配資源塊之規格[16]
根 據 LTE 系 統 中 的 分 工 模 式 方 面 可 分 類 程 分 頻 多 工 (Frequency
如圖 2-7 所示為 LTE 系統之 FDD 訊框的結構，圖中呈現出一組完整 的 FDD 訊框(Frame)，FDD 訊框的長度為 10 ms(microsecond)，其中包含 10 個子訊框(Subframe)，而每個子訊框中包含兩個時槽(time slot)，每個時槽 為 0.5 ms，每個時槽會依據循環字首的不同選擇出適當的符元長度，若使
CP Symbol #0
· · ·
CP Symbol #6 Normal Cyclic PrefixCP Symbol #0
· · ·
CP Symbol #5 Extend Cyclic Prefix圖 2-7、LTE 系統之 FDD 訊框結構[16]
如圖 2-8 所示為 LTE 系統之 TDD 訊框結構，圖中表示 TDD 訊框時間 長度與 FDD 訊框長度相同為 10ms，而一個完整的 TDD 訊框包含 10 個子 訊框，每個子訊框為 1ms，每一個子訊框包含 2 個時槽，每個時槽為 0.5ms，
換句話說 TDD 訊框總共有 20 時槽。在 10 個子訊框當中 Subframe-1 與 Subframe-6 為特別子訊框，特別子訊框中包含了 DwPTS(Downlink Pilot Time Slot)、UpPTS(Uplink pilot Time Slot)與 GP(Guard Period)三個部份。
DwPTS：放入 Downlink 信號。
UpPTS：放入 Uplink 信號。
GP：能讓 DwPTS 以及 UpPTS 有轉換的時間。
Subframe #0
One radio frame, Tframe = 10 ms
···
Tsubframe = 1 ms
Subframe #7 (special subframe #1)
DwPTS GP
UpPTS
(special subframe #6)
···
Subframe #9圖 2-8、LTE 系統之 TDD 訊框結構[16] Sub-carrier spacing
(kHz)
15
Sub-frame duration (ms) 0.5
Sampling frequency (MHz)
1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72
FFT size 128 256 512 1024 1536 2048 OFDM symbol per slot
(short/long CP)
7 / 6
PRB bandwidth (kHz) 180
Number of available
6 12 25 50 75 100
2.3 LTE 系統媒體存取控制層架構
為了要增加LTE系統中的資源使用效率，LTE系統設計出了動態排程 機制，這是依照不同的類型應用來對應出所需的資料流，讓用戶端獲得所 需要的服務品質(Quality of Service, QoS)，其中服務品質機制是與資料傳輸 有極高的相關性，而資料傳輸是位於在LTE通訊協定裡的第二層(Layer 2) 中，以下將會介紹Layer 2的架構。
根據文獻[15]中的3GPP Standard表示，LTE通訊協定第二層主要為三個 子 層 (Sublayer) 所 組 成 ， 其 中 包 含 了 封 包 資 料 匯 集 協 定 (Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、無線鏈路控制(Radio Link Control, RLC)以及 媒體存取控制(Medium Access Control, MAC)，如圖2-9所示。
1. PDCP：負責將資料進行壓縮與解壓縮，資料加密與解密以及將資 料完整的被保護。
2. RLC：負責用戶端的資料順序以及避免封包重複發送。
3. MAC：負責多工(Multiplexing)以及排程(Scheduling)。
圖 2- 9、LTE 系統第二層協議層[15]
如圖2-10所示為LTE系統之無線介面整體協定架構。圖中由上到下的 通道分別為邏輯通道(Logic Channel)、傳輸通道(Transport Channel)以及實 體通道(Physical Channel)。接下來介紹通道位於的位置，邏輯通道位於RLC 與MAC層之間，傳輸通道位於在MAC與PHY層間，實體通道位於實體層以 下的位置，接下來我們將會介紹以下三種不同通道的主要功能。
1. 邏輯通道：負責資料服務以及根據不同的傳輸訊息來區劃分成特定型 態資訊，分成為以下兩類：
(1) 控制通道(Control Channel)：負責傳輸控制平面(Control Plane)之資 訊。
(2) 流量通道(Traffic Channel)：負責傳輸用戶平面(User Plane)之資訊。
2. 傳輸通道：描述資料是如何在空中介面上傳送。
3. 實體通道：此通道為真正傳送資料的通道，訊號會透過無線收發模組 去發射至接收端，將資料送到目的地。
RLC
Logical Channels
MAC
Transport Channels
PHY
Physical Channels
圖 2-10、LTE 系統之無線介面整體協定架構[15]
2.4 IoT 介紹
在 1995 年，比爾蓋茲所撰寫的「未來之路」書籍中有說明物聯網的概 念在其中。在 1998 年時美國麻省理工學院 Kevin Ashton 提出物聯網這個 名詞，即使物聯網這個名詞在 1998 年所提出，由於當時的技術價格非常的 昂貴並沒有實質的發展成功，直到 2007 年，當時的蘋果公司執行長的賈伯
在 1995 年，比爾蓋茲所撰寫的「未來之路」書籍中有說明物聯網的概 念在其中。在 1998 年時美國麻省理工學院 Kevin Ashton 提出物聯網這個 名詞，即使物聯網這個名詞在 1998 年所提出，由於當時的技術價格非常的 昂貴並沒有實質的發展成功，直到 2007 年，當時的蘋果公司執行長的賈伯