第一章 緒論
1.3 載波聚合(Carrier Aggregation)
1.3 載波聚合(Carrier Aggregation)
為滿足峰值速率要求，LTE-A 最大可支援 100MHz 帶寬。然而在現有的可用 4 天線發送。實體上行分享通道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)引 入單用戶 MIMO，可支援最多兩個碼字流(codeword stream)和 4 層(layer)傳輸。
碼字代表在格式化傳送前的使用者資料。通常，多天線傳輸中的數據首先進行獨 立糾錯碼(error correcting code)的編碼，然後將編碼後的碼字映射到一個或 者多個傳輸層(簡稱層)上。在一次的傳輸中，系統支援的所有層數又稱該次傳輸 的秩數(Rank);而實體層上行控制通道(Physical Uplink Control Channel，
PUCCH)也可以透過發射分集(transmitter diversity)的方式提高上行控制資訊 的傳輸品質，提高覆蓋。
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hannel Sta odebook)設ated Multi 與接收技術 鄰的幾個基地
圖 1.2
網路中多節 nal hop)網 ll 間干擾
的 4 天線擴 輸的吞吐量和
動態切換，
eedback, 行多用戶 MIM
nated M
iple Point 術[2]。如圖
ts, CoMP)傳 1.2所示，它
int Tran
傳輸技術是
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緣(cell edge)時，因為遠離基地台，信號減弱的關係，再加上細胞間彼此干擾，造成訊號雜訊比快速下降，進而使得通訊品質劣化以及資料吞吐量(throughput) 下 降 。 由 於 協 調 式 多 點 傳 送 與 接 收 之 技 術 (Coordinated Multipoint Transmission/Reception)可以有效解決此問題，因而受到廣泛的關注。在3GPP 國際通訊標準制定會議中，已將此一技術納入未來第四代行動通訊－前瞻長程演 進(Long Term Evolution-Advanced)技術的標準中。
協調式多點傳送與接收技術主要分為以下三種操作類別: 料分佈在整個 CoMP 協作集合(Cooperating Set)中的每一傳輸節點，且在某 一時間點可有數個傳輸節點傳送資料給用戶端。
(2) 動態選擇細胞(Dynamic Cell Selection):
考慮一個使用者的資料已在多個傳輸點準備完成的前提下，使用者可以 根據連線品質，動態選擇上述多個傳輸點中的一個，進行連線。此機制可以 讓使用者在訊號雜訊比降低時，快速切換到較好的細胞。
(3) 協調式排程/波束成型(Coordinated Scheduling/Beamforming):
單一時間傳輸給單個使用者的資料是來自單個傳輸點，並且排程決定是 聯合操作的。圖 1.4 所示，使用者的資料由一個基站傳送，透過動態協調排 程來控制協作 cell 間的干擾，與 Joint Processing 的主要差別在於：某一 時刻內只有單一傳輸節點會傳送資料給用戶端。對於一個使用者來說，使用
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1.4 Coord
CoMP 技術主
1.3 Joint
inated Sc
主要可用於
Processi
heduling/
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Steven W. Peters等[1]的研究指出，在LTE-A中，中繼站架構是有效提升系 統容量與覆蓋範圍的低成本技術。由於LTE-A在RS的軟硬體設備上提供了以往2G 及3G都沒有的功能設計，因此衍伸許多的應用但技術尚在發展階段。目前主要探 討的RS應用將以2-hops固定式(fixed)中繼站為主。
1.5.1 中繼站主要功能
(1) Layer1 relay：功能類似訊號放大器(Amplify and Forward)，將接收到的
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(2) Layer2 relay：具有訊號編碼(Decode and Forward)處理以及訊號干擾過濾 能力。
(3) Layer3 relay：除了具有 Layer 2 的能力，可對覆蓋區域中的無線資源做管 理控制的工作，功能類似小型基地台。因此該 RS 可支援 mulit-hop relay，
MIMO，CoMP、Resource Allocation、HARQ 等技術能力。Layer 3 RS 具有 BS 骨幹的大部分功能，在 IP 網路中亦可具有 router 能力，佈建成本為三種中 配、功率控制及 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest,混和式自動重 送請求) 等。多跳中繼結合 CoMP 技術時，為了實現網狀架構(Mesh)，使得
Tommaso Beniero[4]的研究指出，為配合 LTE-A 的許多技術要求，在 Layer 2 層級的 RS 大幅度將系統資源控制與實體物理層重新設計，提高了建置的複雜度。
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TSG-RAN WG1 #54 的 R1-082975 [5]文件中指出，Layer 3RS 可用於提升覆蓋率 或容量，且可應用於都會或郊區環境，也可應用於室內與室外的各種應用。因此(1) 穿透式(transparent): RS的覆蓋範圍在BS的覆蓋範圍內。UE同時在RS範圍 內與BS的服務區域中，如圖1.5為穿透式傳輸情形。對於系統來說，穿透式 中繼站的使用可視為一個特殊的cell分裂，只要採取適當的頻率重用管理，
可讓系統產生區域分裂增益的效果，也就是可以增加系統的容量，並提升頻 譜使用效率。但實際情形中不可能無限制佈建RS，因此制定一個標準的中繼 評估模型與訊號通道模型是目前4G技術中的重點研究議題。
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MIMO (Mu 線無線通訊
nput Multi 型，利用發射
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合併出一個輸出訊號。根據收發兩端的天線數量可再分為以下四種:
(1) 單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO) (2) 單輸入多輸出(Single-Input Multi-Output, SIMO) (3) 多輸入單輸出(Multi-Input Single-Output, MISO) (4) 多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)
圖 1.7 SISO, SIMO,MISO,MIMO 示意圖
MIMO 的核心概念為利用多根發射與接收天線來有效的提升無線通訊系統之頻譜 效率，及提升傳輸速率並改善通訊品質。
在移動通信系統中能使用的頻譜資源是有限的。這種對頻率利用的限制引發 了各種問題。頻譜的有效利用、多徑干擾、信號延遲和鄰近通道的干擾，皆為無 線通訊系統在性能和容量上所面臨的主要問題。
(1) 多徑干擾
在無線通訊系統中，信號從發射端經過不同障礙物的反射，比如建築物、桌 子、牆壁等，到達預定的接收端，可能引發多個 Gaussian 通道。這些信號 經過不同路徑到達接收端並對接收信號造成干擾，就是所謂的 Rayleigh 衰
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落，如圖 1.8 所示。
圖 1.8 經過發射、折射形成多個 Gaussian 通道[6]
這些經過不同路徑到達接收端的信號在相位上會出現與正常到達接收端的 信號不一致的情況，可能是相位提前或滯後。經不同路徑到達接收端會有不 同的延遲時間，當延遲時間比信號周期小 10%時，稱這種干擾為平坦衰落，
此時信號間的干擾可以忽略。
(2) 信號延遲
當反射信號的延遲時間大於信號周期的 10%的時候，在時間、頻率、和頻譜 延遲上這種反射信號由於有時間接收上的差異，所以變成了雜訊。在移動通 信系統中，這些雜訊會對接收信號造成資料位元(Bit)上的錯誤。如圖 1.9(1)。
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圖 1.9 無線系統在空間中所面臨的問題[6]
延遲會因不同環境而有差異，延遲越長的反射信號，其強度越小。
(3) 鄰近通道所造成的干擾
由於有效頻譜有限，頻率的利用比容量的提升更重要。無線蜂巢系統的示意 圖如圖 1.10，在圖中假設使用了三種頻率 F1、F2 和 F3。如圖 1.10 所示，
將一個平面區域分成不同的 cell，並且不同 cell 採用不同的頻率通道，即 一個 cell 使用一個固定的頻率。由於 cell 彼此的頻率不同，鄰近的 cell 會因距離相近，造成頻率通道間的干擾。矛盾的是，為了減少這種干擾而增 加 cell 間的距離，使得信號的覆蓋面積不完全，從而出現信號盲點，部分 用戶不在無線系統的基站覆蓋區域裡。目前，有許多研究都假設鄰近通道的 干擾是 Gaussian 雜訊。但有反對者指出，這種干擾並不屬於背景雜訊，而 是其他的雜訊。
圖 1.10 蜂巢佈局圖
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1.7 研究動機
在一個資訊發展快速的時代，越來越多人開始使用行動裝置。在每個人擁有 複數行動裝置的情況下，導致整個世界的能源消耗劇增。根據資料指出，在未來 幾年內，行動服務的流量將會大幅成長 100 倍以上。因此在這行動數位爆炸的時 代，需要有一個好的方式來紓解能源消耗遽增的問題。
對於能源的消耗，由於相關因素太過多元，我們會分細分這些部分再來選擇 探討的因素。在整個世界消耗的能源中，我們主要的探討範圍是在行動網路的部 分。而行動網路中，基地台的耗能為主要耗能原因。以現今的狀況來看，不論何 時何地，基地台需要提供所有使用者不間斷的服務，因此基地台就必須無時無刻 處於開啟狀態。而基地台的耗能又以冷卻及功率放大耗能最多。
在本研究中，我們擬定的目標不是無時無刻提供服務給所有使用者，而是在 使用者需要的時候提供他們服務。差別在於基地台並不需要隨時處於待命狀態，
因為當基地台位於人煙稀少的山區等其他區域時，若依舊 24 小時運作，會浪費 許多能源。所以我們的研究重點在於提出一個好的方式來決策一個基地台是否可 進行關閉或睡眠的動作，如此將會省下該基地台所需消耗的基本能源。當基地台 關閉或睡眠時，須服務其下的使用者，因此由周遭基地台共同合作，來覆蓋它原 本的服務範圍。本論文的節能方式就是運用各基站之間的佈置，及一個開關基地 台的決策模式來運作，達到有效節能的目標。
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1.8 論文架構
本論文共分為五個章節，其內容如下:
第一章 簡介
簡介 LTE-A 背景，並對 CoMP 及 Relay Station 等功能做介紹。
第二章 相關研究
參考國內外的相關研究，討論在各種不同的網路環境下，實行節能的不 同方法。
第三章 研究方法
詳細分析提出的 ASGS 方式，並設計一套新的基地台建置方式及開關決 策方法。
第四章 模擬實驗與結果分析
透過模擬實驗分析及觀察實驗結果，驗證所提出的方法是否能有效節省 能源並維持一定的吞吐量。
第五章 結論與未來研究
總結論文中提出的方法，分析結果並探討未來的研究方向。
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Zhisheng Niu[7]提到，整個電信業大約產生占全世界 2％的二氧化碳排放量，
並且指出未來因為此行業的增長，在 2020 年可能將產生占全世界 4％的二氧化
z 電信網路 (Telecommunication Network) z 互聯網(Internet)
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圖 2.1 典型無線細胞網路的能源消耗[8]
圖 2.2 基地台消耗能量分析[9]
2.2 BS 的睡眠模式
在文獻中，基地台的討論除了最簡單的以白天黑夜(時間)來討論之外，有些 文獻更進一步的將基地台的使用地點也納入了討論，例如:設置在住宅區的基地 台晚上較白天使用量大，反之設置在辦公區的基地台白天較晚上使用量大。所以 在後續的研究中，我們也會以此假設來探討。當有基地台進入睡眠模式時，該基 地台不再發送訊號，而是藉由周圍其餘活動中的基地台傳送訊號，以此覆蓋睡眠
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基地台區域的無線電覆蓋範圍。無線電資源和基地台之間的協調運作可以確保必 要的服務覆蓋範圍。
傳統網路講求的是不論使用者在何時何地，都能接收到訊號來使用行動裝置，
也就是說即使整座山目前沒有任何使用者在使用行動裝置，也需要開啟所有範圍
也就是說即使整座山目前沒有任何使用者在使用行動裝置，也需要開啟所有範圍