中繼站輔助之蜂巢式系統上載效能的改善

從上ㄧ章中，我們介紹了本篇論文所要探討的系統模型，並且在此系統架構 下，藉由基因演算法來幫助我們搜尋到在“fixed-bandwidth” criterion 下能讓下載 的system spectral efficiency 達到最高的中繼站最佳佈放位置。在本章中，我們將 探討中繼站輔助的蜂巢式系統對於系統上載(uplink)的部份又會有哪些方面效能 的改善。

5-1 功率節省的改善(Power Saving Improvement)

對於中繼站輔助之蜂巢式系統上載與下載效能改善的觀察，其實有很多效能 方面的觀察點是相同的，例如：system spectral efficiency、throughput

enhancement…等，也就是說對於上載與下載在這些效能方面的改善都是依樣可

在本節中，我們就是將要探討“fixed throughput” criterion，“fixed throughput”

criterion 指的是說使用者不管位於細胞中的何處，它選擇 direct path 或是 2-hop path 來作上傳都能達到相同的 throughput，也就是在“fixed throughput” criterion 下，使用者究竟選擇哪條路徑來作上傳，可以比較節省平均的傳輸功率(average transmission power)，並且我們會分成兩種不同的 radio resouce 分配方式來討論，

第一種是對radio resouce 在時間上做分割來上載資料，就是所謂的 time division transmission，第二種是對 radio resource 在頻率上做分割來上載資料，就是 bandwidth division transmission。

基本上，在這邊討論的問題其系統架構是與第四章所定義的是相同的，並且 我們會以上ㄧ章所找出中繼站的最佳佈放位置當做給定的中繼站位置，相當於已 經給定了中繼站的位置之下，而且因為中繼站所使用的傳輸功率，與當初下載時 的功率設定是相同的，就是在細胞邊緣維持一定的spectral efficiency 所使用的功 率設定，所以此時RS-BS 此段 link 的 spectral efficiency 已經是固定的，與系統 下載時的設定是相同的，我們來分析究竟在系統上傳的部份，有了中繼站來幫助

傳輸之下，系統效能的改善。

5-1-1 Time division transmission

以time division transmission來作為 2-hop path的傳輸方式，也就是在first link direct path 傳送資料時，所使用的傳輸功率(5.2)式是最小的，經由 Appendix A.2 使用的KKT condition 的驗證，我們可以得知，當

w

M B_→

( ) m

G =

W

時，所需使用的 每單位面積傳輸功率

P

t mb_

( ) m

G 是最小的，將此結果代入(5.2)式，就是使用者以

direct path 作上載時，達到每單位面積 throughput T 所需的最小傳輸功率： 率，因為在此處的2-hop path 是用 time division transmission，所以 2-hop path 等 效的throughput 為下式：

(5.7)式中的

T

M R_{→ j}

( )

G 可以由(5.4)與(5.6)式代入 單位面積平均傳輸功率(average user transmission power)應為(5.8)式與(5.9)式：

( ) ( ) ( )

direct _mb Watt

m

5-1-2 Bandwidth division transmission

在本小節中，我們也是觀察“fixed throughput” criterion(throughput 為 T)，在 有中繼站幫忙轉傳下，對使用者究竟能夠節省多少的平均傳輸功率。此處不同於 5-1-1 的地方在於我們假設使用者使用固定的每單位面積頻寬 W 來傳送訊號不管 是經由direct path 或是 2-hop path，並且對於 2-hop path 的 radio resource 分配而 言，是在頻寬上做分割來進行訊號的上載傳送，不同於上一小節是在時間上做切 寬分配，另外，2-hop path 的 radio resource 分配是在頻寬上做分割，因此我們可 以清楚地知道2-hop path 等效的每單位面積 throughput 為(5.17)，分別由以下兩 式表示：

每單位面積傳送功率

P

t mr_ _j

( ) m

G

最小，類似前一小節使用KKT condition 來驗證，

最後的結果顯示當

T

M R_{→ j}

( ) m

G = 與 他們個別的throughput 與 spectral efficiency 來表示頻寬，最後將此結果代回(5.16) 式，經由整理之後我們可以得到MS-RS 與 RS-BS 兩段 link 對於 W 的分割結果

，因為在此種傳輸方式下，不管是經由direct path或是 2-hop path，使用 者用

P

t mr_ _j

( ) m

G

定最後路徑的選擇，direct path被選到的條件為下列，Pcell的定義同上一節。 助之蜂巢式系統對於上載的spectral efficiency 相較於傳統只有基地台提供服務 的蜂巢式系統能夠有多大的改善。

在這邊的系統模型，仍是與前面章節相同，我們同樣依據第四章所找到的中 繼站最佳位置來擺放，因此隨著中繼站位置的給定，RS-BS此段link的spectral efficiency已經是固定的，只是我們會根據我們所要觀察的效能改善，在設定上做 一些變更。在本節中，我們會固定使用者作上傳時的每單位面積平均傳輸功率，

也就是不管使用者在細胞中的何處以及他選擇direct path或是 2-hop path來上傳 資料，他所使用的每單位面積平均功率皆相同，在此處我們定義此固定每單位面 積平均功率為Pm，我們同樣會用跟上一節所提針對2-hop path以兩種不同的radio resource分配方式來進行資料上載，路徑的選擇以能達到較高的spectral efficiency 為選擇的標準，就是所謂的spectral efficiency based selection。

5-2-1 Time division transmission

對於time division transmission就如同 5-1-1 所提到，first link由使用者傳送資 料給中繼站傳完之後，下一個時間再以second link經由中繼站將資料傳輸給基地 台，在本節中，我們是給定使用者固定的每單位面積平均傳輸功率P_m，而且固定 進行資料上傳的使用者使用的每單位面積頻寬為W，此時在有中繼站來幫助資料 轉傳下，可以對system spectral efficiency有多大的改善。

首先針對direct path而言，在給定每單位面積平均傳輸功率Pm以及使用每單 time division transmission，我們可以得知 MS-RS 與 RS-BS 兩段 link 都是使用 W 來做資料傳送，也就是

w

M_→R_j

( ) m

G =

w

R_j→B

( ) m

G =

W

，將此結果代入下面所列的 MS-RS 與 RS-BS 兩段 link 上載 throughput 的理論值(5.27)與(5.28)，我們就能得 到此兩段個別的throughput，然後代回(5.4)就可求出 2-hop path 等效的 throughput。

( ) ( ) ( )

spectral efficiency 較高的路徑來傳輸其 direct path 被選擇作為上載路徑的條件為：

( )

2-hop

( )

耗相同的頻寬所以可以(5.34)來表示，最後我們就定義出上載時的 system spectral efficiency(5.35)

cell direct 2-hop, R 改善，但與5-1-1 主要的差別在於此處針對 2-hop path的傳輸是對radio resource 在頻率上做分配來進行資料傳送。

分析direct path 此路徑的 throughput 與(5.26)式相同；接下來，考慮 2-hop path，因為我們對於每個使用者固定使用每單位面積頻寬 W，並且對於 MS-RS 與RS-BS 兩段 link 是對 W 做分割來進行訊號上載，所以會有與(5.11)相同的頻 寬分配，另外，2-hop path 的 radio resource 分配只是在頻寬上做分割，2-hop path 等效的throughput 與(5.17)相同，我們可以應用與 Appendix A.1 類似的証明，得 到當MS-RS 與 RS-BS 兩段 link 的 throughput 相同(

T

M R_{→ j}

( ) m

^G =

T

R_j→B

( ^m

^G

)

^)時，會

有最大的2-hop path 等效 spectral efficiency，因此我們藉由這些結果也能夠推導 出，MS-RS 與 RS-BS 兩段 link 對於 W 的分割情形，同(5.20)和(5.21)，得到這些

關係式之後，我們必須決定

S

M_→R_j

( ) m

G 到(5.37)式，可得 ，最後將此兩値相乘便是2-hop path 等效的 throughput

。 擇的條件便如下表示，最後system spectral efficiency 同上一小節：

( )

2-hop

( )

其中，

( ) { }

2-hop maxR M R B( )

j j

T m

G =

T

_{→ →}

m

G

(5.40)

第六章 系統模擬

Propagation model (4.1)、(4.2) Cell edge spectral efficiency S

target

0.5 bps/Hz

N

0

-174 dBm

w

target

1kHz/m

²

population size Λ 100

crossover rate p

c

0.6

距離RS_d 以及距離細胞中心的最大距離 Max(RS_d)與最小距離 Min(RS_d)，這

些結果將由表6-1.2 統計出來，在這邊的目標函數是(4.18)式所表示的 system spectral efficiency，所以下表所列的第二行指的就是在有中繼站輔助傳輸相較於 只有基地台服務時system spectral efficiency 的增益(gain)。

RS 受到spectral efficiency 的輪廓圖(contour)，圖中黑色的框線所包圍的範圍，代表 每個中繼站服務的覆蓋區域，而且圖上黑色的小點就是代表中繼站所擺放的位 置，將如下列出：

圖6-1.1 Spectral Efficiency Contour for N=1

圖 6-1.2 Spectral Efficiency Contour for N=2

圖6-1.3 Spectral Efficiency Contour for N=3

圖6-1.4 Spectral Efficiency Contour for N=6

圖6-1.5 Spectral Efficiency Contour for N=7

圖6-1.6 Spectral Efficiency Contour for N=14

經由對表6-1.2 以及上列的 spectral efficiency contour 的觀察，當中繼站的數 目在13 個以內，能使 system spectral efficiency 達到最大時，中繼站的最佳佈放 位置基本上都是分佈在以細胞中心為圓心的同ㄧ圓上，差不多就是位於距離細胞 相overlap 的區域，最後使得 system spectral efficiency 達到最大。這邊所探討的 情況，從表6-1.2 的第二和三行也可以反應出來，就是當 N>6 時，隨著中繼站數 目的增加，對於system spectral efficiency 改善的幅度開始減少，換句話說，中繼 站數目的增加，還是會令系統整體的system spectral efficiency 逐漸增加，但是增 益的程度會逐漸的變小。

6-2-1 功率節省的改善(Power Saving Improvement)

這邊主要的參數設定將如下表 6-2.1 所表示，因為對於系統上載而言，使用 者所使用的傳輸功率必須有所限制，否則傳輸功率用的太大將會危害到使用者的 健康，因此此處會限制使用者最大的傳送功率(maximum user transmission power

constrain)，當使用者為了達到每單位面積 throughput T 但卻得使用超過此最大限 制傳輸功率，此時就會發生Outage。

Fixed throughput T 14.25 kbps/m

²

Allocation bandwidth W 28.5 kHz/ m

²

Maximum user transmission power constrain

26 dBm

表6-2-1.1 系統上載參數設定

此處同 5-1 節會分 time division transmission 與 bandwidth division

transmission 兩種傳送方式，模擬結果則是會改變 RS-BS link 的 spectral efficiency 來看對系統效能的影響，包含average user power saving percentage(PS)、中繼站 與基地台個別的服務範圍比例以及outage probability。此外，根據相同的

Rj B( )

S

_→

m

G 下，針對上載時可以選擇最佳路徑傳輸和選擇與下載時相同的路徑來做資料上載 兩種case，比較其系統效能的差異。

Time division transmission：模擬結果如下所列

N=6

圖6-2-1.1 User Transmission Power Contour for =0.5

Rj B

( ) S

_→

m G

圖6-2-1.2 User Transmission Power Contour for =0.54

Rj B

( )

S

_→

m G

圖6-2-1.3 User Transmission Power Contour for =0.6

Rj B

( ) S

_→

m G

圖6-2-1.4 User Transmission Power Contour for =1

Rj B

( )

S

_→

m G

圖6-2-1.5 CDF for different

( ) ( )

²

^{( )}

²

越來越大時，會開始趨於一條漸近線，也就是對average power saving

Rj B( )

S

_→

m

G

Rj B( )

S

_→

m

G

的改善會達到飽和。

圖6-2-1.6 User Transmission Power Contour for

Rj B

( ) S

_→

m G

=10

圖6-2-1.7 PS v.s.

Rj B

( )

S

_→

m G

緊接著，此處要將不同路徑選擇方式(different path selection scheme)下，系 統上載效能改善的模擬結果展示出來，路徑選擇方式分為兩種：a)選擇讓使用者 最省平均傳輸功率的路徑上載(with optimum UL path)和 b)選擇與下載時相同的 路徑來上載資料(with the same DL path)，這兩種路徑選擇方式下對系統效能改善 的統計將以表6-2.2 列出，圖 6-2-1.8 與圖 6-2-1.9 為個別的 User Transmission Power Contour，而圖 6-2-1.10 則是平均傳輸功率的 CDF 比較圖。

optimum UL path the same DL path

PS(%) 95.54 81.01

BS service area ratio (%) 7.85 29.88 RS service area ratio (%) 92.15 70.12 Outage probability (%) 0 0.06

Rj B( )

S

_→

m

G

(bps/Hz) 10.7 10.7

表6-2-1.3 系統上載效能改善統計表 for different path selection scheme

圖6-2-1.8 User Transmission Power Contour for optimum UL path scheme

圖6-2-1.9 User Transmission Power Contour for the same DL path scheme

圖6-2-1.10 CDF for different path selection scheme

由上列的圖可以觀察到 optimum UL path scheme 能讓平均傳輸功率節省的 程度最大，而the same DL path scheme 雖然也是能夠幫助節省平均傳送功率，但 是增益的幅度就沒那麼大，這是因為我們使用與DL 時相同的傳輸路徑，它並不 能增對我們所要改善的效能(平均傳送功率)去做最佳化，也因為此關係選擇 the same DL path scheme 下，中繼站服務的範圍也與當初下載時相同才會有圖 6-2-1.9 的結果，此圖中在細胞邊緣的區域大部分都是由基地台所服務，而位於細胞邊緣 的使用者要達到相同的throughput T 所需的傳輸功率相對的也較大，所以才會有 圖6-2-1.9 中 the same DL path scheme 的 CDF 曲線在高 user transmission power 的 地方是往右貼近只有基地台服務的黑色CDF 曲線。

Bandwidth division transmission：

我們可以從第五章分析的結果中發現，兩

Bandwidth division transmission：

我們可以從第五章分析的結果中發現，兩

在文檔中 中繼站輔助之蜂巢式系統對於系統上載效能的改進 (頁 36-0)