數值實驗結果綜合討論

利用本論文第三章所建構之共存系統連結阻隔機率模型，並佐以本章所設計 不同情境的數值分析結果，我們可以歸納出幾個結論，其分別如下：

 Femtocell 的建置使得室內使用者可使用較好的服務，然流量到達固網端時另

0 5 10 15 20 25 30

0 0.5 1

Macrocell Blocking Prob. vs # of femtocells

N (conns/s)

P

m

70

須由電信業者評估兩種連結流量需求對頻寬的需求，以達到預期之 QoS。電 信業者可藉由連結阻隔機率評估後端固網的建置與配置。

 由數值實驗結果，可發現有幾項影響阻隔機率的關鍵因素，包含連結之需求 流量、macrocell 連結持續時間以及用戶在室內之停留時間，而不同頻寬容量 之配置比例亦會造成較明顯的阻隔現象。

 增設 femtocell 可有效降低 macrocell 系統的阻隔機率，因為 femtocell 提供部 分用戶流量需求的接取而能減少用戶對macrocell 接取流量。Femtocell 設置數 目由5 個增加至 20 個，macrocell 阻隔機率下降 23.5%。

 Macrocell 的阻隔機率戶隨著總流量需求的上升而逐漸升高。當總流量的增加 幅度由0.4 至 1 連結/秒，阻隔機率上升幅度為 21%。

 用戶在室內之停留時間越久，佔用 femtocell 資源機率越高，可降低 macrocell 阻隔機率，例如用戶在室內停留時間平均值由1700s 增加至 2400 秒，下降幅 度為1.5%。

藉由以上的數值實驗分析我們可以驗證在macrocell 以及 femtocell 共存系統用 戶需求、連結頻寬需求容量以及不同固網容量配置比例對於阻隔機率的影響。阻 隔機率除了與固網端容量的提供有關，另會被使用者的各種行為，如新進需求到 達率、連結持續時間以及用戶在室內外機率所影響。

 

71

第五章 

結論及未來研究方向

5.1 結論

無線通訊技術的快速發展使得傳輸流量的需求也隨之提升，為了紓解日益壅 塞的無線傳輸流量而推出了femtocell，femtocell 架設在室內且藉由寬頻網路(ADSL, cable 等)來提供良好的室內收訊品質以及紓解室外基地台(macrocell)之流量。本論 文研究在macrocell 以及 femtocell 之使用者在此共存系統下，經由電信業者之後端 Iu-ps 固網接取，以連結允入控制(CAC)配置決定 macrocell 與 femtocell 系統之頻寬 容量以分析整體使用者的阻隔機率。

我們欲探討在此macrocell 以及 femtocell 共存系統下固網容量對於阻隔機率之 影響，由電信業者配置給 macrocell 及 femtocell 兩種系統，並根據來自 macrocell 系統與femtocell 系統之數據流量，以 Processor Sharing 原理建立服務端模型並分 析在CAC 所限制之人數下，不同頻寬容量配置比例對於阻隔機率的影響。

為了求解此共存系統，我們分析模型的連結阻隔機率，將系統中的使用者的 流 量 以 及 通 話 時 間 建 模 做 為 計 算 阻 隔 機 率 之 用 。 依 據 固 網 頻 寬 共 享 特 性 以 Processor Sharing 原理建模並分析，印證了不同容量配置下對 macrocell 與 femtocell 系統阻隔機率的影響，以及得知影響阻隔機率的關鍵因素，模擬結果列舉如下：

72

 Femtocell 的建置使得室內使用者可使用較好的服務，然流量到達固網端時另 須由電信業者評估兩種連結流量需求對頻寬的需求，以達到預期之 QoS。電 信業者可藉由連結阻隔機率評估後端固網的建置與配置。

 由數值實驗結果，可發現有幾項影響阻隔機率的關鍵因素，包含連結之需求 流量、macrocell 連結持續時間以及用戶在室內之停留時間，而不同頻寬容量 之配置比例亦會造成較明顯的阻隔現象。

 增設 femtocell 可有效降低 macrocell 系統的阻隔機率，因為 femtocell 提供部 分用戶流量需求的接取而能減少用戶對macrocell 接取流量。Femtocell 設置數 目由5 個增加至 20 個，macrocell 阻隔機率下降 23.5%。

 Macrocell 的阻隔機率戶隨著總流量需求的上升而逐漸升高。當總流量的增加 幅度由0.4 至 1 連結/秒，阻隔機率上升幅度為 21%。

 用戶在室內之停留時間越久，佔用 femtocell 資源機率越高，可降低 macrocell 阻隔機率，例如用戶在室內停留時間平均值由1700s 增加至 2400 秒，下降幅 度為1.5%。

本研究透過對數據服務的特性進行研究與分析，提出的建模方法貢獻如下：

總結本論文的本研究之貢獻如下:

1. 探討共存系統數據需求特性以及服務端連結傳輸特性，用戶利用一段持續時間 使用數據服務，研究顯示可以依連結持續時間描述；

73

2. 因分封交換特性，傳輸速率與連結數目成反比，我們以 PS 模型描述此特性；

3. 並經由本研究分析 UMTS 傳輸速率的限制，與一般 SDSR 模型不同，我們另加 進有界(bounded)的 SDSR 模型進行分析，以實際針對 UMTS 系統下共存系統的 阻隔機率進行解析解。

5.2 未來研究方向

I. 多種服務類型之考量與建模

為了簡化推導及模型複雜度，本研究假設macrocell 及 femtocell 基站使用者皆 接取同一類型服務，因此僅需考慮單一頻寬的連結流量需求，然在UMTS 系統與 HSDPA 系統中，能提供之服務基本上有四種類型，每種類型亦有不同的頻寬與服 務品質需求，而對於固網容量的規劃亦會呈現出更複雜的行為，諸如macrocell 語 音數據容量配置，數據又可分會話、互動等等類型，我們希望將來能考慮此種多 種數據服務流量分析，以設計多種服務(multi-service)頻寬配置的機制，考慮兩種 系統用戶的數據優先權，並分析其效益以及所提升的使用者服務品質。

II. 加入訊號干擾之因素

本研究考量有線端之容量限制對於此共存系統之影響，然本研究並未考慮無 線頻帶資源因素以及加進多個femtocell 基站對原本 macrocell 系統的干擾，是否彼 此干擾有可能影響原先macrocell 之無線訊號品質？且 femtocell 本身亦提供使用者 接取的能力，使得系統雖會提升整體干擾量，然而是否也可藉由 femtocell 的接取 能力而增加系統可同時接取之人數？未來能考慮此整體系統之架構，包含無線與

74

有線端之流量與資源分析，以及所能提升的使用者服務品質。

III. 4G 技術的考量

本研究考量在UMTS 系統所提供之行動通訊數據服務，每種服務類型有不同 的頻寬與服務品質需求，然而因UMTS 實體層採用 WCDMA 技術，而 4G 實體層 則使用 OFDMA 技術，基本上傳輸信號的方式不同，用戶需求建模方法與資源分 配的方式與本研究方法有所差異，因此希望未來能加進考慮4G，以做為未來共存 系統中行動通訊數據服務參考建模的依據。

75

參考文獻 

[3GP04] 3GPP TSG Terminals, “Common test environments for user equipment conformance testing,” 3GPP TS 34.108 version 3.16.0, Jun. 2004.

[ABI04] A. Alexiou, C. Bouras, and V. Igglesis, “Performance evaluation of TCP over UMTS transport channels,” International Symposium on Communications Interworking, 2004.

[AKY11] M. Y. Arslan, S. V. Krishnamurthy, J. Yoon, S. Banerjee, and K.

Sundaresan, “FERMI: A femtocell resource management system for interference mitigation in OFDMA networks,” in Proc. Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, 2011.

[ATT09] AT&T femtocell 網址如下：

http://www.wireless.att.com/learn/why/3gmicrocell/.

[BHK01] J. Beckers, I. Hendrawan, R. E. Kooij, and R. van der Mei, “Generalized processor sharing performance models for internet access lines,” in 9^th IFIP Conference on Performance Modeling and Evaluation of ATM and IP Networks, 2001.

[CCM10] 新通訊元件雜誌，增加電信業者營收/提升用戶品質 Femtocell 基 地台風靡全球 網址如下：    

 http://www.2cm.com.tw/markettrend_content.asp?sn=1005040009.

[ChA08] V. Chandrasekhar and J. G. Andrews, “Femtocell networks: a survey,”

IEEE Communications Magazine, 2008.

[CHA08] J. D. Chimeh, P. Azmi, and M. Hakkak, “Internet traffic modeling and capacity evaluation in UMTS,” International Journal of Hybrid Information Technology, vol. 1, no. 2, pp. 109-120, 2008.

76

[Chi02] J. B. Chia, “Video services over 4G wireless networks: not necessarily streaming,” Wireless Communications and Networking Conference, WCNC2002, vol. 1, pp. 18-22, Mar. 2002.

[ChL05] S. P. Chung and J. C. Lee, “Performance Analysis and overflowed traffic characterization in multiservice hierarchical wireless networks,” IEEE Trans. on Wireless Communications, vol. 4, no. 3, pp. 904-918, May 2005.

[ChZ00] J. Q. -J. Chak and W. Zhuang, “Capacity analysis for connection admission control in indoor multimedia CDMA wireless communications,” Wireless Personal Communications, vol. 12, pp.

269-282, 2000.

[CMK08] D. Choi, P. Monajemi, S. Kang, and J. Villasenor, “Dealing with loud neighbors: the benefits and tradeoffs of adaptive femtocell access,” in Proc. IEEE Global Telecomm. Conference, pp. 1-5, Dec. 2008.

[CMT70] E. G. Coffman, R. R. Muntz, and H. Trotter, “Waiting time distribution for processor-sharing systems,” Journal of ACM, vol. 17, no. 1, pp.

123-130, Mar. 1970.

[Coh79] J. W. Cohen, “The multiple phase service network with generalized processor sharing,” Acta Informatica 12, pp. 245-284, 1979.

[DBL10] D. C. Dimitrova, H. Berg van den, R. Litjens, and G. Heijenk,

“Scheduling strategies for LTE uplink with flow behaviour analysis,”

Fourth ERCIM Workshop on eMobility, 2010.

[Den96] S. Deng, “Empirical model of WWW document arrivals at access link,”

in Proc. 1996 IEEE Int. Conf. Commun., vol. 3, pp. 1797-1802, Jun.

1996.

77

[Fan05] Y. Fang, “Performance evaluation of wireless cellular networks under more realistic assumptions,” Wireless Communications Mobile Computing, vol. 5, no. 8, pp. 867-885, Dec. 2005.

[Fem10] FemtoForum, “Femtocells-natural solution for offload,” FemtoFroum white paper, Jun. 2010.

[FOS06]  R. Ferrus, J. Olmos, O. Sallent, J. Perez-Romero, and F. Casadevall, “An admission control framework integrating radio and IP-transport in 3GPP-based networks,” Mobile and Wireless Communications Summit, 2007. 16th IST, pp. 1-6, 2007.

[GST08] D. Gross, J. F. Shortle, J. M. Thompson, and C. M. Harris, Fundamentals of queueing theory, 4th ed. Hoboken N.J.: Wiley, cop., 2008.

[HKI08] Q. Huang, K. T. Ko, and V. B. Iversen, “Approximation of loss calculation for hierarchical networks with multiservice overflows,”

IEEE Transactions on Communications, vol. 56, no. 3, pp. 466-473, Mar.

2008.

[HoT04] H. Holma and A. Toskala, WCDMA for UMTS, 3rd ed. New York: J.

Wiley & Sons, Ltd., 2004.

[Hua04] J. S. Huang, “Adaptive modulation schemes for 3G WCDMA in multipath channels,” Master Thesis, Dept. Electron. Eng., Nat. Yunlin Univ. of Science & Technology, Jun. 2004.

[JaG03] S. A. Jafar and A. Goldsmith, “Adaptive multirate CDMA for uplink throughput maximization,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, no. 2, pp. 218-228, Mar. 2003.

[Jai94] R. Jain, “ATM adaptation layer,” Master Thesis, Dept. Computer and Information Science, The Ohio State Univ., 1994.

78

[KAK06] I. Koukoutsidis, E. Altman, and J. M. Kelif, “Fair rate sharing models in a CDMA link with multiple classes of elastic traffic,” Rapport de Recherche 5596, INRIA, Jun. 2005.

[KOC11] T. Kolding, P. Ochał, P. Czerepiński, and K. Pedersen, “Impact of carrier configuration and allocation scheme on 3G femtocell offload effect,”

Vehicular Technology Conference, 2011 IEEE 73^rd, pp. 1-5, 2011.

[Kuc73] A. Kuczura, “The interrupted poisson process as an overflow process,”

Bell Syst. Tech. J., vol. 52, pp. 437-448, Mar. 1973.

[LHB01] A. Lom, G. Heijenk, and C. Bruma, “Performance of TCP over UMTS common and dedicated channels,” IST Mobile & Wireless Communications Summit 2003, pp. 128-142, Jun. 2003.

[Li11] X. Li, Radio access network dimensioning for UMTS, Wiesbaden:

Vieweg+Teubner Verlag, 2011.

[Mad08] A. Mader, “Performance Models for UMTS 3.5G Mobile Wireless Systems,” Doctor Thesis, Institut für Informatik Lehrstuhl für Verteilte Systeme, 2008.

[MaR99] L. Massoulie and J. Roberts, “Arguments in favour of admission control for TCP flows,” in Proc. of the ITC 16, pp. 1-12, 1999.

[MHH11] M. H. Ho, “Optimal Frequency Allocation Scheme Design in Macrocell and Femtocell Coexistence Networks,” Master Thesis,Dept.Electron.

Eng., Nat. Taiwan Univ. Jun. 2011.

[RSA05] J. Pérez-Romero, O. Sallent, R. Agusti, and M. A. Diaz-Guerra, Radio resource management strategies in UMTS, Chichester, West Sussex, England: Hoboken, N.J.: J. Wiley & Sons, 2005.

[RVP10] G. de la Roche, A. Valcarce, D. Lopez-Perez, and J. Zhang, “Access

79

control mechanisms for femtocells,” IEEE Communications Magazine, vol. 48, no. 1, pp. 33-39, 2010.

[Saf05] S. R. Safavian, “How to dimension wireless networks for packet data services with guaranteed QoS (Part 1-Theoretical Issues),” Bechtel Telecommunications Technical Journal, vol. 3, no. 1, Aug. 2005.

[Sol10] D. Soldani, “Bridging QoE and QoS for mobile broadband networks,”

ETSI workshop on QoS, QoE and user experience focusing on speech, multimedia conference tools., 13^th Capacity Sharing Workshop, Sep.

2010.

[TZT11] D. C. Tsilimantos, D. A. Zarbouti, G. V. Tsoulos, G. E.

Athanasiadou, and D. I. Kaklamani, “Fairness and throughput trade-off analysis for UMTS WCDMA network planning,” Wireless personal communications, vol. 56, no. 4, pp. 693-714, 2011.

[WMC03] T. C. Wong, J. W. Mark, and K. C. Chua, “Joint connection level, packet level and link layer resource allocation for variable bit rate multiclass services in cellular DS-CDMA networks with QoS constraints,” IEEE J.

Sel. Areas Commun., vol. 21, no. 10, pp. 1536-1545, Dec. 2003.

[YMN09] M. Yavuz, F. Meshkati, S. Nanda, A. Pokhariyal, N. Johnson, B.

Raghothaman, et al., “Interference management and performance analysis of UMTS/HSPA+ femtocells,” IEEE Communications Magazine, vol. 47, pp. 102-109, 2009.

[ZCJ07] S. G. Zhao, H. G. Chou, S. L. Jen, and Y. Y. Chen, HSDPA技術及其演 進-HSUPA與HSPA+, Bei jing: 人民郵電出版社, 2007.

[Zha10] Y. Zhang, “Resource Sharing of Completely Closed Access in Femtocell Networks,” IEEE Wireless Communications and Networking Conference,

80

pp. 1-5, 2010.

[ZhR10] Z. Zhang, and G. de la Roche, Femtocell: Technologies and deployment, Chichester, West Susssex, U.K., Hoboken, N.J.: Wiley, 2010.

81

附錄 A：指數分佈機率求解 

於 3.3 節討論之連結持續時間與用戶在室內之比例等隨機變數皆假設為具有 指數分佈的性質，在此根據指數分佈之特性推導求解：

考慮兩隨機變數 A 與 B 為指數分佈，分別具有平均值^E

 

^{A a及E}

 

^{B b，則}

t 及 為任意正整數， f_A

 

x  1e^ax及 f_B

 

t  1e^bx為 A 與 B 之機率密度函數 (i) 令^{Y min}

 

^A,B ，則

     

^{ay by}

Y y A y B y e e

F Pr  Pr   ^  ^

因此，Y 為之阻隔機率密度為 _Y

 

^Y

  

a b



e ^{a by} dy

y y df

f    ^{ } ，而

 

Y a b E  1

。 (A.1)

82

 

83

附錄 B：M/

Mb

/1//r

₁

-PS 阻隔機率公式推導 

推導參考[Coh79]對於有限人口(finite source population)下，對於 M/M_b/1//r1-PS 阻隔機率求解。Macrocell 連結有一最低頻寬之需求，假設為 bw1，固網接口之容 量為 BWIu-ps，連結數上限 r1 = BWIu-ps /bw1。計算M/M_b/1//r1-PS 穩態機率可直接藉 由[Coh79]的 M/Er/R/∞-PS 模型之結果求得，只是其狀態空間(state space)被限縮為 僅有最多 r2個連結可被服務，當系統中已存在 r1個連結佔用macrocell 固網端之容 量時，新進連結將會被阻隔掉。

推導參考[Coh79]對於有限人口(finite source population)下，對於 M/M_b/1//r1-PS 阻隔機率求解。Macrocell 連結有一最低頻寬之需求，假設為 bw1，固網接口之容 量為 BWIu-ps，連結數上限 r1 = BWIu-ps /bw1。計算M/M_b/1//r1-PS 穩態機率可直接藉 由[Coh79]的 M/Er/R/∞-PS 模型之結果求得，只是其狀態空間(state space)被限縮為 僅有最多 r2個連結可被服務，當系統中已存在 r1個連結佔用macrocell 固網端之容 量時，新進連結將會被阻隔掉。

在文檔中 Macrocell與Femtocell共存系統數據流量建模與阻隔機率計算 (頁 91-0)