第一章 毫微微細胞基地台(Femtocell)緒論
1.4 論文章節架構
本論文共分為五個章節。第二章描述本論文之系統架構以及說明共存系統之 潛在固網容量瓶頸，以建立阻隔模型之問題描述與研究挑戰；第三章探討依據數 據流量需求，給定既有之固網容量，以連結允入控制機制設計以建立連結阻隔機 率模型；第四章給定不同情境下的連結阻隔機率模型實驗結果，分析了包括使用 者服務品質、連結頻寬需求對共存系統阻隔機率所造成之影響等。第五章則為本 篇論文的結論以及未來研究方向。
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第二章
Macrocell 與 Femtocell 共存系統連結阻隔機率建模議 題
Macrocell 之系統架構已定義在 3GPP(3rd Generation Partnership Project)規範中，
而目前業界所使用的 femtocell 協定堆疊(protocol stack)等技術細節也已制定 [KYF09]，然而對於 femtocell 與 macrocell 共存系統資源配置與管理等則無規範，
由各業者自行決定。本章將介紹在第三代行動通訊系統(3rd generation, 3G)中 femtocell 及 macrocell 共存之系統架構，進而對延伸之資源限制對於用戶服務品質 影響等議題進行定義與討論。
何孟翰([MHH11])在 2G femtocell 與 macrocell 共存系統架構下提出 macrocell 與 femtocell 系統語音頻道的最佳化配置，並以話務阻隔機率作為頻道最佳化之指 標，設計RANSAM 作為共存系統頻道分配之配置。論文中所建的語音頻道配置對 於話務阻隔機率影響的模型，除依據用戶需求及移動行為模式建立流量需求模型，
並依語音服務為一通電話接取一個頻道的服務特性，採用 M/M/c/c 模型作為求解 阻隔機率的模型。
本論文延伸考量用戶使用數據服務，首先說明在3G 共存系統下數據封包的運 作與傳遞方式，並考慮後端網路(backhaul)固網容量的限制對用戶在建立數據服務 連結時的影響，最後定義主要的研究問題：
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1. 無線接取所造成的資源接取限制，以 CAC 機制設計將如何影響兩種系統 的連結阻隔機率？
2. 使用者的行為模式會對共存系統造成什麼樣的影響?
本章於2.1 節將介紹 femtocell 系統和 macrocell 系統共存之架構以及兩者之協 定堆疊圖；2.2 節說明行動通訊系統之資源限制以及基站之連結允入控制及與服務 需求間的關聯；2.3 節針對 3G 行動通訊系統說明，並列出數據服務類別與需求；
2.4 節則具體描述資源配置與本論文所研究之共存系統資源限制與連結阻隔機率間 關係建模與分析的情境、定義及所將面對之困難。
2.1 Macrocell 及 Femtocell 共存系統架構
Femtocell 及 macrocell 共存之行動網路接取系統如圖 2.1，戶外的使用者透過 macrocell 經由後端專線接取核心網路，並可再連接網際網路等公用網路提供使用 者行動數據上網等服務；室內的使用者則透過 Femtocell Access Point(FAP)連接 ADSL/Cable 接取至網際網路。
Macrocell 建置目的為提供大範圍且多使用者的無線訊號覆蓋，而 FAP 則作為 室內少數使用者使用的接取點。有關femtocell 及 macrocell 共存系統之架構將於此 節中介紹。
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圖2.1 Femtocell 及 macrocell 共存系統 (修改自[ZhR10])
2.1.1 共存系統架構
從系統架構上來看，femtocell 相較於 macrocell 較為獨立；電信業者架設涵蓋 範圍大的 macrocell 系統以替使用者提供服務，後端網路須由電信業者額外架設。
Femtocell 系統則不同於傳統的蜂巢式 macrocell 系統，由使用者端自行架設一個 FAP 設備，FAP 和 Femtocell GateWay(F-GW)之間的傳輸方式則採用了 ADSL 或 Cable 等有線方式。Femtocell 系統部署方式靈活，透過額外建置 femtocell 而不需 將現有的核心網路做任何改變，因此可以利用現存的 macrocell 系統來延伸擴充，
包括電信業者採用之技術如第二代行動通訊系統(2nd generation, 2G)的全球移動通 訊系統(Global System for Mobile, GSM)、3G 的通用行動通訊系統（Universal Mobile Telecommunications System, UMTS）以及 3.5G 的高速封包下行存取(High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)等。
圖2.2 為 femtocell 系統與 macrocell 系統之共存架構，包含無線電接取網路以 及核心網路兩大部分。其中 macrocell 語音訊號經由電路交換(Iu-cs)被轉送到媒介 閘 道 器(Media GateWay, MGW) 處 理 ， 並 轉 送 至 Public Switching Telephone
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Network(PSTN)進行通話。Femtocell 語音訊號則藉由 Mobile Switching Center(MSC) 與Gateway Mobile Center(GMC)將語音需求轉接到指定的目的地。
Macrocell 負責處理數據封包資料有兩部分，一為 GPRS 服務支援節點(Serving GPRS Support Node, SGSN)節點，另一則為 GPRS 閘道器 (Gateway GPRS Support Node, GGSN)。封包先經由分封交換(Iu-ps)轉送給 SGSN 處理，SGSN 可視為封包 轉送的行動數據交換中心，負責將封包轉送至其他 SGSN 或 GGSN，並可記錄使 用者設備的當前位置訊息等，而 GGSN 則是行動網路之對外窗口，所有網內的封 包皆經由GGSN 傳送到外部網路，如網際網路等。
Femtocell 數據封包則先由 FAP 接收無線訊號後經 ADSL/Cable 傳送至 F-GW，
並經由分封交換轉送給SGSN 處理，再將訊號經由 Gn 介面轉送至 GGSN 再傳送 到網際網路。
圖2.2 Macrocell 及 femtocell 共存系統架構 (修改自[ZhR10])
2.1.2 協定堆疊
依據 2.1.1 小節所描述的系統架構，本小節分別就 UMTS macrocell 以及
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femtocell 兩系統之協定堆疊(protocol stack)進行說明，並列出 femtocell 因應共存系 統所新增之協定，來了解數據封包的傳遞過程中femtocell 與 macrocell 基站與後端 網路不同網路元件間的溝通協調流程。
2.1.2.1 Macrocell 協定堆疊
圖2.3 顯示 macrocell 系統從使用者設備至 GGSN 的協定堆疊，無線訊號傳送 經由實體層(Physical Layer, 或稱為 Layer 1)與基站溝通，實體層技術為 Wideband Code Division Multiple Access(WCDMA)；實體層之上為無線電連結控制(Radio Link Control, RLC)層與媒介存取控制(Medium Access Control, MAC)層，此兩層亦 可合稱為無線電介面協定，是用來建立、設定與釋放無線接入乘載(Radio Access Bearer, RAB)，以供上層其他協定使用。RLC 層提供使用者設備及基站之間連線的 管理與無線電連結(radio link)的控制，並且負責使用者控制訊號、資料訊號分割 (segmentation)與重傳(retransmission)的功能。當資料訊號傳送到 MAC 層時，MAC 會將WCDMA 中定義的邏輯通道對應到 MAC 中相對應的傳輸通道，使得資料可 以經由傳輸通道傳輸至封包數據匯集協定層(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)，PDCP 功能為進行 IP 的壓縮及解壓縮，再經由基站之 GTP-U 協定傳送至 SGSN，GTP-U 之功能為 SGSN 與 GGSN 之溝通介面，或由 GGSN 向外接取網際 網路之溝通介面。
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圖2.3 UMTS 使用者設備至 GGSN 之 UMTS 軟體協定 (修改自[Li11])
2.1.2.2 Femtocell 協定堆疊
Femtocell 軟體協定共包含兩個實體傳輸介面，一個是與使用者設備連通的無 線介面，沿用原先UMTS 基地台控制器(Radio Network Controller, RNC)的無線電 資源控制(Radio Resource Control, RRC)、RLC、MAC 等通訊協定標準。由於無線 介面在3GPP 標準組織中發展較為成熟，因此 FAP 與一般使用者設備進行行動傳 輸時，並沒有互通相容性的問題存在；另一介面則是接取後端固網之網際網路通 訊協定(IP)網路介面，由於涵蓋的協定技術以及標準規範尚在制定中，因此 femtocell 電信業者需面臨網路端各元件相容互通性的挑戰。
如圖2.4 所示，femtocell 介面所涉及到的協定技術主要包括以下幾個部分：Iuh 協定技術應用在femtocell 與 Security GateWay(SeGW)之間的溝通；TR069 協定技 術應用在 femtocell 與 HMS(Home nodeB Management System)，由電信業者透過 TR069 負責監控 FAP 之運作狀況；本地 IP 流量(Local IP Traffic)技術則應用在分封 交換資料傳輸方面；以及由FAP 至 F-GW 的傳輸協定。
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由FAP 至 F-GW 的通訊協定堆疊如圖 2.4 下方所示，沿用原本 UMTS 中 RNC 的Iu-ps 介面協定(如 RANAP、Iu-UP 等)，並有全新制訂的 HNBAP(Home NodeB Application Part)及 RANAP 用戶適應性(RANAP User Adaptation, RUA)協定兩個技 術規範，此處我們說明HNBAP 與 RUA 兩個部分：
HNBAP：訊息傳遞透過底層建立的 SCTP 連線與 F-GW 溝通，此協定主 要提供三種功能，分別為femtocell 註冊功能、UE 註冊功能以及錯誤回報 等機制。
RUA：訊息傳遞透過底層的 SCTP 連線和 F-GW 溝通，此協定取代原本 3G RNC 的傳輸協定，提供連線導向與非連線導向的傳輸服務給上層的 RANAP 協定。
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圖2.4 3G femtocell 協定堆疊 (修改自[KYF09])
2.1.3 WCDMA 技術
UMTS 中 macrocell 與 femtocell 實體層採用之技術為 WCDMA，來實現多重 存取。WCDMA 源自於訊號展頻(spreading spectrum)的觀念，利用一個展頻碼將原 始訊號進行調變，使原始訊號展開成較寬的頻寬，讓訊號可以以較低功率傳輸資 料訊號，到達接收端再由相同展頻碼解展頻出原始訊號，使得訊號較不易受到雜 訊及干擾的影響。至於流量通道分配如圖 2.5 所示，WCDMA 是以碼作為無線傳 輸流量通道的單位，同一時間同一頻寬可利用多個不同的碼將多個使用者的傳輸 訊號展頻，因此讓使用者可同時同頻進行傳輸。
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圖2.5 以碼為無線傳輸流量通道的單位 ([Zen07])
WCDMA 採用正交可變展頻因子(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF) 碼作為碼的產生依據。原始資料訊號的單位是位元(bit)，而經過 OVSF 碼展頻後的 單位稱之為碼片(chip)，因此原始訊號經過 WCDMA 技術展頻後的訊號之傳輸速率 以碼片速率(chip rate)為單位。OVSF 碼在上下行資料傳輸有著不同的功能，由於 不同使用者設備(UE)有連結請求以取得所需服務，因此在上行中藉由 OVSF 碼可 用以區分同一使用者設備之資料通道以及控制通道；而下行傳輸資料則可達到使 用 OVSF 碼以做為區分不同使用者設備的作用。因此，不同使用者設備之連結請 求皆可藉由使用不同的OVSF 碼加以區分。
2.2 資源容量瓶頸
行動通訊系統通常考慮之資源瓶頸包含兩個層面，其一為使用者設備接取至 FAP 或 Macrocell 基站之無線頻譜，另一則為由基站端經由後端接取至有線固網之 容量。無線頻譜資源層面包含如頻道資源分配與接取[MHH11]、[Zha10]以及使用 者設備與基站間訊號干擾[YMN09]等議題。本研究專注在 macrocell 系統後端接取 至有線固網端Iu-ps 的資源限制對連結流量之分析。
由圖2.6 我們區分出本研究著重之部分，其中無線電接取網路主要分析在無線
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訊號之相關議題，而核心網路中 Iu-ps 介面的限制(圖中紅色方框所示)則為本研究 設計連結允入控制的機制所在。
如2.1.2.2 小節所述，femtocell 的數據訊號由使用者設備接取後送經由 FAP、
F-GW、Iu-ps 順序傳送給 SGSN，再透過它的 Gn 介面藉由 GGSN 連接至網際網路；
用戶向電信業者申請 FAP 設備時，會由業者裝設後端固網以提供足夠容量給予 femtocell 使用者使用行動數據服務。
Macrocell 接取使用者連結至基站，經由基地台控制器 RNC 透過 Iu-ps 接取至 SGSN，再經過 GGSN 連接至網際網路。藉由[Fem10]說明，因行動用戶使用特性
Macrocell 接取使用者連結至基站，經由基地台控制器 RNC 透過 Iu-ps 接取至 SGSN，再經過 GGSN 連接至網際網路。藉由[Fem10]說明，因行動用戶使用特性