第一章 緒論
1.5 中繼技術(Relay)與中繼站分類
1.5.3 RS 與 BS 的資源管理模式
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 內全部的基地台來使用。但實際上，我們該提供的並不是何時何地都讓他們可以 使用，而應該是要在他們想用的時候提供給他們使用即可，最大的差別在於基地 台並不需要24小時不間斷的運作，而是依不同時段開啟。
但是當有一些基地台若是進入睡眠甚至關機時，我們不能因此放棄使用這些 基地台之使用者的權益，所以在周圍的其他基地台就需要幫忙處理這些使用者的 需求，如圖 2.3。
圖 2.3 藉由細胞縮放實行基地台局部關閉的運作方式
上方兩個圖的差別在於，左圖是一個關閉的基地台，由周圍三個開啟的基地台來 協助覆蓋，而右圖則是由周圍兩個開啟的基地台來協助覆蓋。
2.3 細胞縮放
傳統的蜂巢網路的細胞大小是固定的，在設置之前會先預估當地的使用量再 決定細胞的大小，一旦決定之後，每個細胞所要負責的範圍也就固定了。但在我 們的方式中，細胞大小並不固定，我們會根據基地台的開關來決定細胞的大小，
由開著的基地台來覆蓋關閉基地台的服務範圍。
我們的細胞會根據計算來決定它的覆蓋範圍，達到最佳的能源節省。上述所
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說的細胞縮放，並不是真的去改變整個細胞的大小，而是利用實體層的技術，藉 由調整控制訊號的發射功率來改變細胞的大小。
在 Zhisheng Niu [11]中提到，蜂巢網絡中，細胞縮放可以帶來許多好處。首 先，細胞縮放可用於負載均衡，藉由從較重負載的細胞流量轉移到輕負載的細胞 下。其次，細胞縮放可用於節能方面，將細胞放大到零的流量負載的區域(基地 台睡眠模式中)，覆蓋並服務該區域。
某些基地台在睡眠模式下，相鄰細胞應該相對應放大，以保證覆蓋且服務該 區域的使用者。因此，細胞縮放既可以分散負載、均衡負載，也能集中負載以達 到節能的目的，如圖 2.4。
圖 2.4 藉由 BS 與 RS 之間合作達到細胞放大[11]
然而，在這兩種情況下，流量多寡與資源分配是成正比的，而與細胞縮放的 大小成反比。因此決定何時分散負載達到負載平衡以及集中負載達到節能，都是 具有挑戰性的問題。
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2.4 細胞網路架構
M.Ajmone Marsan [12]的研究指出，在現實世界中，我們的網路模式有許多 種類型，我們會先介紹一些較為典型的網路架構。典型的蜂巢網路大致上分為以 下幾種:
Hexagonal cells with omnidirectional antennas:
圖 2.5 六角形全方位天線式細胞，關閉率分別為 3/4 及 6/7。[12]
六角形全方位式天線式細胞，如圖 2.5，每個細胞的形狀都是六角形，而天 線也都是可向四面八方發射訊號的全方位式天線，該架構的基地台是在細胞的正 中央，藉由中央基地台對周圍發送訊號，來提供服務。此類型的網路架構還細分 為兩種類型，一種是當週遭基地台都關閉時，中央基地台只負責周遭基地台＂一 半＂覆蓋範圍(如圖 2.5 左)。亦即關閉基地台的覆蓋範圍，會由周遭兩個基地台 來負責涵蓋；另一種為當週遭基地台都關閉時，中央基地台會完全覆蓋週遭所有
六角形全方位式天線式細胞，如圖 2.5，每個細胞的形狀都是六角形，而天 線也都是可向四面八方發射訊號的全方位式天線，該架構的基地台是在細胞的正 中央，藉由中央基地台對周圍發送訊號，來提供服務。此類型的網路架構還細分 為兩種類型，一種是當週遭基地台都關閉時，中央基地台只負責周遭基地台＂一 半＂覆蓋範圍(如圖 2.5 左)。亦即關閉基地台的覆蓋範圍，會由周遭兩個基地台 來負責涵蓋；另一種為當週遭基地台都關閉時，中央基地台會完全覆蓋週遭所有