B3G無線接取網路之無線資源管理技術---總計畫(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

總計畫(1/2)

計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2219-E-009-024- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電信工程學系 計畫主持人： 張仲儒 共同主持人： 沈文和，廖維國，王蒞君 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 27 日

   

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

 

總計畫(1/2)

 

        計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC 92－2219－E－009－024 執行期間： 92 年 08 月 01 日 至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電信工程學系       計畫主持人： 張仲儒 共同主持人： 廖維國，沈文和，王蒞君        

中

華

民

國

93

年

5

月

27

日

    報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢 第 1 頁，共 1 頁

中文摘要

建構B3G (Beyond 3rd Generation) 無線多接取網路目前最可行做法是採用異質多接 取網路架構：各個已在單一傳播環境最佳化的現有或未來(如4G)接取網路，透過一 接取整合機制作互連並提供在任何時間、地點的無縫式接取服務。此一接取整合機 制除提供各個接取網路間的互連，作有效的無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)。本計畫之研究方向是：第一、建立實用且具 高變通性的B3G 資源管理模擬平台。第二、結合交大教授之研究團隊，針對B3G異質多接取網路架 構之無線資源管理技術進行深入研究。 總計劃第二年度之目標在於根據第一年度總計劃中所開發出之WCDMA系統模擬技 術，加以延伸並應用至先進行動通訊系統之下鍊(downlink)傳輸模擬之用。除此之 外，所開發之模擬平台亦特別針對全新的實體層(physical layer)架構進行設計，並成 功開發出適用於OFDM/CDMA Downlink系統之模擬平台雛型，完整的系統模擬平台 預期將於第三年度開發完成。此模擬之特點在於，為求真實性，舉凡多路徑衰落， 相關性遮蔽衰落，手機移動及實用流量模型都納入設計考慮在內，並在鍊路預算設 計上，考量多總設計傳輸參數。 在無線資源管理技術方面，分別由各子計畫負責：異質多接取網路之資 源管理技術(子計畫一)、、無線封包網路之資源管理技術（子計畫二）、B3G OFDM 多重接取系統設計及無線資源管理(子計畫三)。在第二年度研究規劃中，子計畫一 致力於發展結合WCDMA/WLAN之B3G系統之RRM技術，其中包括WCDMA系統之 排程演算法和封包接取管理技術，以及WLAN之新型輪詢機制。子計畫二的研究方 向在於探討HSDPA系統之停滯防止機制，及其效能分析。子計畫三的研究重點則是 著重於利用第一年計畫之WCDMA平台來開發允諾接取控制和封包排程演算法，並 且搭配總計畫之研發人力，共同發展OFDM/CDMA Downlink系統之模擬平台。此 外，各子計畫所開發之技術除了作學理分析外，也將在此模擬平台上驗證其效能。

Abstract

The most popular network architecture for future B3G wireless access network is “heterogeneous access network”. For the heterogeneous access network, future wireless access network (such as: 4G system) and many current wireless access networks that are well-suited for some transmission environments are comprised into an integrated network platform, which can provide anywhere and anytime seamless wireless services. This integrated platform can be an internetworking platform in which the functionalities of radio resource management, mobile management, and quality of service are coordinately provisioned. The key issue for the future heterogeneous access network is efficient radio resource management (RRM) technologies that are performed in an integrated platform. Therefore, the research directions of this project are: first, building a practical and flexible B3G RRM simulation platform; second, study on the RRM technologies for the B3G wireless access network.

In the first-year research of the general project, the system simulation techniques for the WCDMA system were proposed. Based on the results, the research goal for the second-year is to apply these proposed techniques to the downlink simulation platform of advanced mobile communication systems. Moreover, the design of the downlink

simulation platform is focused on the development of novel physical layer architecture. We are intended to develop a simulation platform for a prototype OFDM/CDMA downlink system and the detail design is expected to be completed in the third year. For the development of the real simulation platform, the multi-path fading, correlated fading, mobility, and real traffic flow model are taken into consideration. Also, many real system parameters are carefully handled in the design of link budget.

Also, the developments of advanced RRM techniques come from the collaboration and synergy of the three sub-projects, including: RRM techniques for heterogeneous access networks (sub-project 1), RRM techniques for wireless packet access network (sub-project2), and design and RRM techniques for B3G OFDM multiple access systems (sub-project 3). In the second-year research, the goal of sub-project 1 is to develop novel

RRM techniques for WCDMA/WLAN B3G systems, which includes: a scheduling algorithm and a data access control scheme for WCDMA systems and a novel polling scheme for WLAN 802.11e. The goal of sub-project 2 is to study the “stall avoidance” mechanism in the HSDPA system. Also, a novel analytic framework is proposed. For the sub-project 3, the goal is two-folded: firstly, design of a novel call admission control (CAC) and packet scheduling algorithms for the WCDMA simulation platform developed in the first year; secondly, design the simulation platform of an OFDM/CDMA downlink system. It is noted that all the proposed RRM techniques from the three sub-projects will be evaluated on the common simulation platform.

目 錄

目錄 1

圖目錄

3

表目錄 4

第一章 導言

5

1-1 簡介 ……… 5

1-2 研究動機 ……… 6

第二章 系統簡介

7

2-1 OFDM 技術傳輸原理 ……….……… 7

2-2 OFDM／CDMA 系統介紹 ……… 12

第三章 系統規劃與模擬環境 18

3-1 系統規劃 ……… 18

3-1-1 細胞架構 ……… 18

3-1-2 鍊路預算 ……… 19

3-2 模擬模型 ……… 25

3-2-1 使用者行為模型 ……… 26

3-2-1.1 使用者移動模型 ……… 26 3-2-1.2 用者資料流量模型 ……… 29

3-2-2 通道模型 ……… 33

3-2-1.1 路徑損失模型 ……… 33 3-2-1.2 遮蔽衰落模型 ……… 34 3-2-1.3 多路徑衰落模型 ……… 36

第四章 系統模擬方法 39

4-1 系統模擬程序 ……… 39

第五章 模擬平台與各子計畫研究成果

41

5-1 模擬平台發展成果驗證 ……… 41

5-2 子計畫一研究成果 ……… 44

5-3 子計畫二研究成果 ……… 45

5-4 子計畫三研究成果 ……… 46

5-5 未來研究方向與展望 ……….. 48

參考文獻

51

圖目錄

圖 2.1 單載波與多載波平行傳送技術 圖 2.2 類比 OFDM 調變器 圖 2.3 子載波干擾效應 圖 2.4 循環前置碼產生方式 圖 2.5 OFDM 信號多路徑傳輸效應 圖 2.6 通道自相關係數值與時間延遲關係圖 圖 2.7 資源重分配週期示意圖 圖 3.1 兩個干擾層細胞架構 圖 3.2 使用者狀態轉移機率表示圖 圖 3.3 使用者方向改變機率分佈 圖 3.4 語音服務流量模型 圖 3.5 數據資料流量模型 圖 3.6 無線傳播環境示意圖 圖 3.7 遮蔽效應示意圖 圖 3.8 使用者在交通工具上之多路徑衰落時域通道脈衝響應(Channel A) 圖 3.9 Jakes 模型所考慮之訊號入射角度 圖 4.1 系統模擬邏輯示意圖 圖 4.2 允入控制演算法流程圖 圖 4.3 負載控制示意圖 圖 4.4 封包排程演算法流程圖 圖 4.5 子載波選擇演算法流程圖 圖 4.6 功率控制演算法流程圖 圖 5.1 使用者感受之路徑損失與遮蔽衰落效應代表圖 圖 5.2 多路徑衰落快速起伏變化 圖 5.3 多路徑衰落在時域及頻域之效應

表目錄

表 2.1 碼框架構相關時間參數 表 2.2 移動速度模型相關參數 表 2.3 OFDM/CDMA 系統實體層主要參數 表 3.1 上鍊鍊路預算範例 表 3.2 下鍊鍊路預算範例 表 3.3 不同資料傳輸速率所對應之數據資料流量模型參數

第一章 導言

1-1

簡介

聯合國下轄之國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)在

1992 年決議將 2GHz附近的頻帶保留給第三代行動通訊系統使用[1]。由於當時

預期第三代行動通訊系統將於西元兩千年普及，因此 ITU 又將第三代系統稱

為”International Mobile Telephony 2000(IMT-2000)”。目前經過 ITU 認可的第三代 行動通訊系統目前已有三種規格，第一種是由歐洲及日本所主導的”Wideband CDMA, WCDMA”[2], 第二種則是美國主導的”CDMA2000”[3]，最後則為中國大 陸主導之”TDS-CDMA”[4]。 隨著第三代行動通訊業務執照於2002 年 2 月拍賣結束，台灣正式踏入了第 三代(3rd Generation, 3G)行動通訊時代，業者亞太行動寬頻電信公司已於 2003 年 7 月完成 CDMA2000 規格的 3G 系統建構，開始提供第三代行動通信服務。其 他業者亦將於2004 下半年陸續提供 WCDMA 規格的 3G 行動通信服務。 未來通訊市場的主流，應為結合寬頻(Broadband)、全球性(Globalization)、 即時性(Immediacy)與移動性(Mobility)特性的通訊服務。因此儘管第三代行動通 訊系統才剛推出服務，並且有著連接網際網路、支援行動通訊用戶、比第二代更 高的資料傳輸率等優點，但專家學者們仍持續關注如何能有更高的資料傳輸速 率，又可以支援使用者移動的系統，因此後第三代行動通訊系統(Beyond 3G, B3G) 的無線通訊系統研究[5] [6] [7]從未稍歇。 3G 之後的無線行動通訊，需要有資料傳輸率以克服高資料量的數據傳輸， 還要有克服使用者高速移動的特質，來滿足行動通訊的最基本要求，因此正交分 頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術是目前廣為期盼

成為後3G 行動通訊系統的主流調變方式。如 IEEE Standard 802.16a[1-8]是一項

第二代無線都會型區域網路(Wireless Metropolitan Area Network, WMAN)的寬頻

無線通訊標準，同樣是以OFDM 為基礎，OFDM 技術的重要性可見一般。因此

本 研 究 同 樣 以 OFDM 技 術 為 基 礎 ， 引 入 蜂 巢 (Cellular)架 構 的 概 念 ， 建 置 OFDM/CDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing / Code Division Multiple Access)行動通訊系統模擬平台，並支援使用者的移動行為與高資料傳輸

率的需求，期望研究的成果將可以提供未來在下一世代行動通訊系統研究之參 考。

1-2

研究動機

以往在進行行動通訊系統無線資源管理(Radio Resource Management, RRM) 相關的研究主題時，由於牽連的議題廣泛及過去運算資源有限的情況下，經常只 能針對其中特定議題來設計系統模擬(simulation)的程式，其他 RRM 演算法對議 題的影響，則需藉由假設或忽略來處理。但事實上，在RRM 相關議題中的各項 演算法，彼此間常有多項互動與交互影響，因此單獨討論特定演算法卻完全忽視 其他演算法是不適當的作法。此外，運算資源成本的降低，亦提供了在系統模擬 時同時處理多個RRM 演算法更大的可行性。 本年度總計劃之目標在於根據第一年度總計劃中所開發出之 WCDMA 系統 模擬技術，加以延伸並應用至先進行動通訊系統之下鍊(downlink)傳輸模擬之 用。除此之外，所開發之模擬平台亦特別針對全新的實體層(physical layer)架構 進行設計，並成功開發出適用於OFDM/CDMA Downlink 系統之模擬平台雛型， 完整的系統模擬平台預期將於第三年度開發完成。OFDM/CDMA 技術是目前世 界各地研究人員正熱烈探討的第四代行動通訊技術，而目前在公開的學術期刊以 及研究資料中甚少對以該技術為基礎之系統運作架構及方法進行介紹，以致此模 擬平台開發時所面臨的挑戰性遠勝以往。本研究團隊藉由對行動通訊的理論分析 以及對訊號在實體層傳輸架構的研究，方得以突破目前世界各地研究人員正遭逢 的瓶頸，初步開發出系統運作架構之雛型，並據以做為模擬平台開發之根據。此 模擬平台延續過去的彈性設計，並同時整合了允入控制(admission control)、封包 排程(packet scheduling)以及資源分配(resource allocation)等無線資源管理演算 法，以提供一個兼具彈性與完整性之系統模擬環境。 本篇報告之內容安排如下：第二章的內容在於介紹 OFDM 技術傳輸原理與 OFDM/CDMA 系統架構。第三章的內容主要分成兩個部分，前半部的內容在於 規劃本行動通訊系統時的考量，以及如何透過鍊路預算的運用來協助施行系統的 佈放。後半部分則先說明在模擬系統中使用者的移動行為模式，及使用不同服務 時的資料流量變化。再細述如何去模擬訊號在真實環境中所遭受到的衰落，並使 用相關性模型使遮蔽衰落效應更貼近真實的通道效果。第四章將會說明本系統模 擬平台所採用的系統模擬方法與整合系統模擬的運作流程，並介紹下一世代行動 通訊系統所應納入考慮的無線資源管理演算法。最後將對本研究進行總結，並說 明未來的尚待達成之研究目標。

第二章 系統簡介

OFDM 技術已經為歐洲應用於無線區域網路(WLAN)、高清晰度數位電視 (HDTV)和數位音頻廣播(DAB)等。此外，因為其具備較高的頻譜使用效率和良 好的抗多路徑干擾能力，亦被視為下一世代行動通訊的核心技術之一。 在本章中，首先將介紹 OFDM 技術的相關傳輸基本原理，包含多載波調變 原理、快速傅立葉轉換的實現和 OFDM 傳送技術中特有的循環前置碼特性。接 著，將對本論文所提出之正交分頻多工結合時域分碼多重接取(OFDM/CDMA) 系統的實體層參數做詳盡的設計原理介紹。

2-1 OFDM 技術傳輸原理

OFDM 技術可視為一種調變技術，亦可看成為一種多工技術。多載波調變 的主要觀念是將欲傳送的高速率資料串列(High Speed Data Stream)分散在 N 個彼 此正交(Orthogonal)的子載波(Sub-Carrier)，且作平行(Parallel)傳送，如圖 2.1 所

示。當N 個低速率資料串列傳送時，個別資料串列之符元間距(Symbol Duration)

將變大為 N 倍，在頻域中等效意義為子載波信號頻寬變小，多載波調變可容忍

多路徑衰落通道較小之同調頻寬(Coherence Bandwidth)，因此對於多路徑延遲擴 散(Multi-path Delay Spread)在時域所造成之訊號強度衰落效應容忍度亦隨之提 高。

1a

4b

3b

2b

1b

4a

3a

2a

1a

2a

3a

1b

Single

Carrier

Multi

Carrier

Subcarrier 1 Subcarrier 2 Subcarrier 3 Subcarrier 4

4b

3b

4a

2b

圖 2.1 單載波與多載波平行傳送技術

傳統的頻率多工系統(Frequency Division Multiplexing, FDM)中，將全部頻帶

切割為 N 個不重疊的載波，避免載波間產生干擾，卻造成了頻譜使用上的效率

低落問題。倘若將各載波間距作適當之調整，以維持載波彼此間之正交性。即使 互相有所重疊，仍不會產生子載波干擾(Inter-Carrier Interference, ICI)。理論上， 當子載波數趨近於無窮大時，使用子載波頻譜重疊的頻譜效益為傳統方式的二倍 [8]。 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 Ch9 Ch10 Ch1 Ch2 ………… Ch10 Frequency Frequency Conventiona l FDM

OFDM

Saving of Bandwidth

OFDM 訊號由子載波上之相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)或正交振幅調 變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 符元所構成。假設d 表示為複數的訊i

號符元，N 為子載波的數目，T 為符元區間及s f 為載波頻率，則 OFDM 訊號之c 基頻數學式(2.1)與類比 OFDM 調變器如圖 2.2 所示：

( )

(

)

( )

1 2 2 2 exp 2 , 0, (2.1) s s s N i N s s s N _{s s} i s s i s t d j t t t t t T N T s t t t t T π − + =− ⎛ ⎞ = _⎜ − _⎟ ≤ ≤ + ⎝ ⎠ = ≤ ≤ +

∑

Serial

to

Parallel

PSK / QAM

data

(

)

(

)

exp −j Nπ s t−ts T

(

)(

)

(

)

exp jπ N_s−2 t−t_s T . . . . . .

OFDM

Signal

圖 2.2 類比 OFDM 調變器 實際上，以類比方式來實現上述 OFDM 多載波調變系統為一個不實際之作 法，因為需要針對各子載波設計類比傳收機(Transceiver)，具高複雜度，因此實 際上藉由快速傅立葉轉換(FFT/IFFT)來實現正交多頻分工調變技術。則(2.1)式可 改寫為：

( )

( )

( )

2 1 2 2 2 1 1 exp 2 , 0,1,..., 1 (2.2) (2.3) s s s Ns i s s N s i N s N s s _i s T N T ik s k s kT d j k N N N N s k IFFT d

π

+ − + =− = ⎛ ⎞ = = _{⎜ ⎟} = − ⎝ ⎠ ⎧ ⎫ = _{⎨ ⎬} ⎩ ⎭

∑

以數位信號處理技術所實現的OFDM 系統，OFDM 信號為時域的波形取樣 點，符元則為頻域上每個子載波的信號，彼此間為對偶之離散複立葉轉換。為了 以快速傅立葉轉換來實現系統，因此信號取樣率必須滿足奈奎斯特取樣定理 (Nyquist Sampling Theorem)，即取樣頻率必須大於兩倍信號頻寬。意即為真正可

用於載送訊號之子載波數目為 2k+1須小於設計之OFDM 系統子載波數目N ，s 則可避免系統之頻譜產生頻疊效應(Aliasing Effect)[9] 隨著子載波個數N 增加，OFDM 訊號頻譜旁波瓣(Sidelobe)無超出二分之一s 取樣頻率的現象，但是唯有N 趨近無窮大時，頻寬才會等於 0.5 而不產生頻疊現s 象。然而實際系統並無法使用無限多的子載波傳送，因此系統設計時欲用於載送 信號之子載波個數必須小於N 以避免頻疊現象的產生。而這些未使用於載送信s 號的子載波稱為虛擬載波(Virtual Carriers)。 OFDM 傳輸技術之所以能成為未來通訊的核心技術之一是由於它具有高度 對抗多路徑延遲擴散效應的能力。高速率資料串列分散為N 個低速率資料串s 列，在彼此正交的子載波上作平行傳送，故個別資料串列之符元間距隨之變大為 原來的N 倍，使得傳輸延遲擴散相對上遠小於符元間距，可以減少傳輸延遲擴s

散造成不同OFDM 區塊間的碼際干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)。在 OFDM

系統中，於每一個OFDM 區塊中加入保護區間(Guard Interval, GI)或稱為循環前

置碼(Cyclic Prefix)。保護區間長度的選擇，必須大於預期的最大傳輸延遲擴散，

使得前一個OFDM 符元的傳輸延遲擴散部分，不會干擾到後一個 OFDM 符元。

雖然保護區間不傳送任何訊號，可以避免相鄰的 OFDM 符元干擾，但將會產生

載波間干擾(Inter-Carrier Interference, ICI)問題，使得子載波間不再具有正交性，

圖 2.3 子載波干擾效應

因此，為了消除子載波干擾效應，於保護區間內置入 OFDM 區塊之部分複

製循環展延訊號，如圖2.4 所示。

OFDM Symbol Interval

Guard Time FFT Interval

Duplicate

圖 2.4 循環前置碼產生方式

圖2.5 所示，以三個子載波受二個路徑延遲傳輸為例。實線部分為未受延遲

OFDM 訊號，在區塊交界處會出現 180 度的相位跳躍(Phase Jump)。在此例中， 多路徑傳輸延遲小於保護區間，使得保護區間內的信號出現相位偏轉的變化，但 在完整的 FFT 區間中不會有相位偏差的改變，因此不影響在接收端所觀察完整 FFT 區間之子載波正交特性，得以正確的解調變。反之，若多路徑傳輸延遲大於 保護區間，則會破壞載波間的正交性，造成錯誤的解調變。 圖 2.5 OFDM 信號多路徑傳輸效應 保護區間的長度N 取決於系統所處之多路徑衰減通道環境的延遲擴散，一_g 般設計為通道均方根延遲擴散的四～五倍。然而因為循環前置碼的置入，造成所 傳送之 OFDM 信號損失(

(

N_g /N_g +N_s

)

的傳輸功率，因為 FFT 區間長度設計通 常選擇為使得傳輸功率損耗小於1dB 之長度[2-1-1]。

2-2 OFDM/CDMA 系統介紹

目前並無已商業運轉的行動通訊規格採用OFDM-CDMA 技術，因此本系統 的 設 計 選 擇 由 論 文 中 尋 找 可 供 參 考 的 資 料[10][11][12][13] ， 衍 生 設 計 出 之 OFDM/CDMA 系統。參考之系統採用 OFDM 技術為基礎，提供高資料傳輸速率 的能力，並能支援使用者之移動行為，符合下一世代行動通訊系統之特性，因此 我們據此設計一相關研究平台。 在 本 系 統 平 台 之 實 體 層 為 正 交 分 頻 多 工 結 合 時 域 上 分 碼 多 重 接 取 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing / Code Division Multiple Access)當作

系統設計之技術基礎。採用 1024 點的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)，下傳資料採用 OFDM / Time Domain-CDMA，上傳資料則採用第三代行動 通訊系統UMTS(Universal Mobile Telecommunication Services)的制定的規格[14]。

在此，先對本研究平台模擬的範圍和參數，做個介紹：

1. 模擬的系統：OFDM/CDMA，採用分頻多工(Frequency-Duplex Division, FDD)，只模擬下傳通道(Downlink)。

2. 蜂巢(Cellular)結構，重復使用係數(Reuse Factor)為 1。 3. 無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)相關研究。

4. 由表 2.1 看出，採取的頻帶間格(Frequency Spacing)為 80 KHz ，保護區間為 1/5 倍的 OFDM 信號長度，因此，一個細胞所佔的總頻寬約為 8 MHz 。系統

之下傳子載波共1024 個，真正會使用到的子載波是 768 個，不會使用到的

子載波左右各為128 個，作虛擬載波之用。

System Parameter Value

ST

N ：Number of subcarriers, total 1024

SD

N ：Number of data subcarriers 768

F

∆ ：Subcarrier frequency spacing 80 KHz

FFT

T ：IFFT/FFT period 12.5 sµ (1/∆_F)

GI

T ：Guard Interval period 3.125 sµ

OFDM

T ：Symbol interval 15.625 sµ (T_FFT +T_GI)

表 2.1 碼框架構相關時間參數

5. 本模擬平台參考 UMTS 所規範之使用者移動模型[15]。採用的載波中心頻率

(Carrier Frequency)為 2GHz，定義同調時間(Coherence Time)為通道自相關

係數值(Autucorrelation)大於 98%的時間間隔。根據 Stuber 著作[16]的理論

並加以模擬得圖 2.6。此時同調時間與最大都卜勒偏移(Maximum Doppler

Shift)的關係為∆ =t_c 0.28 / f_d，換算出不同使用者之移動速度環境下所能使用

之最大時域展頻係數(Time-domain Spreading Factor)得出移動速度模型相關

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Time Delay Au to c o rr e la ti o n

Jo(x) is the zero-order Bessel function of the first kind

圖 2.6 通道自相關係數值與時間延遲關係圖

表 2.2 移動速度模型相關參數

Mobility Model Indoor Pedestria

n

Vehicular Vehicular

v：velocity (km hr/ ) 3 30 120 250

d

f ：Max. Doppler Shift ( Hz ) 5.56 55.56 222.22 462.96

c t ∆ ：Coherence Time (ms) 50.4 5.04 1.26 0.605 ,max t G ： Max. Available

Tme-domain Spreading Factor

6. 由表 2.3 可知，在本系統的架構下，可用之相關參數較諸以往的已存之系統 為多，故資料傳輸速率的種類相對具多樣性，完全與當時使用者的需求，和 系統資源的分配習習相關。當時系統仍有可使用功率資源的前提下，使用者

的資料傳輸速率由選定的實體層參數組合†－調變機制(Modulation Scheme,

M )、編碼速率(Coding Rate, C)、時域展頻係數(Time-Domain Spreading

Factor, SF )及子載波個數(Number of Sub-carrier, t N )－透過(2.4)式共同決

定以滿足使用者對於服務品質(Quality of Service, QoS)的要求。

M ：Modulation Scheme BPSK OFDM ( M =1)

QPSK OFDM ( M =2) 16-QAM OFDM ( M =4) 64-QAM OFDM ( M =6)

Error Correcting Code K =7(64 states) convolutional code

C：Coding Rate 1/2, 3/4

t

SF ：Spreading Fator 1、2、4、8、16、32、64、128、256

N：Number of subcarriers 768

OFDM

T ：OFDM symbol duration 15.625 sµ

GI T ：Guard Interval 3.125 sµ BW：Occupied Bandwidth 81.92 MHz 表 2.3 OFDM/CDMA 系統實體層主要參數

( )

2.4 OFDM t M C T R N SF ⋅ = ⋅ 其中 R ：資料傳輸速率 M ：調變機制 C ：編碼速率 t SF ：時域展頻係數 OFDM T ：OFDM 符元間距 N ：子載波個數

當使用者的參數組合選擇調變機制為 1，編碼速率為 1/2，時域展頻係數為 256，且選擇子載波個數為 1，將其傳輸速率定義為基本單位資料傳輸速率(Basic Unit Data Rate, RBU)等於 0.125 Kbps 。

( )

1 1 2 15.625 s = 1 0.125 2.5 256 BU R µ Kbps ⋅ ⋅ = 由(2.4)與(2.5)式可知基本單位資料傳輸速率與資料傳輸速率(Information Data rate, R )之速率換算方式如(2.6)式，將有助於從系統所分配之資源直接對應 到所選擇的MSN 參數組合，並得出當時使用者的真實傳輸速率。至於對個別使 用者尋找適當MSN 參數組合的方法，將經由無線資源管理中封包排程演算法的 資源分配程序作適當設計。

(

)

( )

1 2 15.625 s _{256 2.6} ( ₂₅₆)256 BU M R N R M N Kbps S S µ ⋅ ⎡ ⎤ = ⋅ = ⋅_⎣ ⋅ ⋅ _⎦ †：在本模擬平台中，目前暫時固定編碼速率為 1/2，因此實體層參數組合主要利 用調變機制、時域展頻係數及子載波個數的變化搭配，以獲取個別使用者的資料 傳輸速率，實體層參數組合又簡稱為MSN 參數組合。 依據本系統的架構，在此訂立一些規則，這些規則是根據模擬環境設定或參 考其他適當文獻所訂出，都是將來值得研究的參數讓系統能進一步優化、最佳

化。定義每三十二個OFDM 符元為一個區塊(Block)，每八個 OFDM 區塊做一次

資源重新分配。在本系統平台中，同時模擬即時性服務(Real-Time Service, RTS)， 如語音服務等，和非即時性服務(Non-Real Time Service, NRT)，如數據傳輸等。 使用者所需要的功率資源除了依據通道狀況有所增減，更因不同形式的服務而有 差異，在每一次資源重新分配時間內，即時性服務將比非即時性服務優先被分配 資源，換句話說，等到即時性服務全部被分配後，若系統資源仍有剩餘，才進行 非即時性服務的分配。但不論何種服務，在每一次資源重新分配時間內均可完全

T ime ( OFDM symbol period) Power Resource

(unit)

Use r 1 32

Resource reallocation period

Use r 2 64 96 128 160 192 224 256 圖 2.7 資源重分配週期示意圖 許多學者專家已經開始針對下一世代行動通訊的系統技術進行研究，目前的 研究方向大致可以分成兩個方向，第一種是研究新的傳輸技術，目得是要能提供 高傳輸速率、高移動能力與低功率的系統；另一個研究方向是多系統的整合技 術，其目的是希望能提供隨時隨地上網且高傳輸速率的服務，如蜂巢式網路(如 GSM, GPRS, 3G)與無線區域網路(如 IEEE 802.11 Wireless LAN)的技術整合。在

第一種方向來說，許多學者認為：因為3G 之將引進全新的無線介面，以大幅突 破現有UMTS 384 Kbps 的速率，可能達到數十至上百 Mbps ，以提供更高頻寬之 即時多媒體服務，預期它不僅將採用如 OFDM 之新一代調變技術，勢必也將要 使用全新的頻譜。 3G 之後的系統包含了眾多可能性，但我們針對 OFDM 為基礎的系統，先對 3G 之後的系統伸入觸角，為此類系統做初步規劃與介紹，可以先提供 3G 之後 系統規劃一個初步藍圖和建議，且藉由此規劃可以在配合第七章做無線資源管理 的演算法，做各項不同演算法之研究，看出各項系統的參數彼此牽連的關係，與 此系統之可行性，和是否有更好的演算法與參數的設定，這同時是本篇論文的期 望，能對3G 之後的系統做個釐清與介紹，讓更多的研究能藉由此平台，使系統 更完整與周詳。

第三章 系統規劃與模擬環境

在進行一個完整的系統模擬時，考量的環境及系統相關系數的設定是否合理 與正確，均將直接影響研究成果是否具有高度的參考價值。因此本章將會針對所 規劃的OFDM/CDMA 模擬平台建構時的各項系統參數與背景，與模擬進行時的 環境模型及使用者行為模型做進一步的說明。[17]

3-1

系統規劃

3-1-1 細胞架構

在本節中，我們將說明細胞架構的原因與組成。本系統的下鍊鍊路(Downlink) 採OFDM/CDMA 系統，因為適當地選擇保護區間長度，維持子載波間的正交性， 避免了子載波間干擾，並且在下鍊鍊路中，假定傳送端與接收端能正確地展頻 (Spread)與反展頻(De-spread)，將沒有多重接取干擾(Multiple Access Interference, MAI)影響。多重接取干擾主要是在基地台(Base Station)的發射訊號中，相同頻帶 中其他使用者的傳送信號經過傳輸通道(Channel)所造成的干擾效應。

但本系統的上鍊鍊路(Uplink)採第三代行通訊系統規格 UMTS(Universal

Mobile Telecommunication System)，具有同樣的單一頻率重複使用(Universal Frequency Reuse)特性，換言之，每位使用者使用相同的頻帶(Frequency Band)， 系統的頻率重複使用係數(Frequency Reuse Factor)等於 1，所以每個人的上傳發 射信號對其他人而言都會造成同頻帶干擾(Co-Channel Interference, CCI)。

儘管根據Miller 和 Lee 的分析[18]，在 CDMA 的系統中，需考慮兩個干擾

層(Tiers)，才可以相當接近於考慮無窮多個干擾層的效果。但首先假設為了獲得 足夠的統計量，每個細胞需模擬N 個使用者，總共考慮兩個干擾層19 個細胞的 統計使用者數量將增加19 倍，其次本 OFDM/CDMA 模擬平台為一多載波系統， 每個使用者的通道狀況計算均需求考慮1024 根子載波上的通道增益。最後本系 統預計採用的換手轉換(Handover)機制未定，因此在考量所需消耗的運算量的前 提下，在本系統中考慮單一細胞層(Single Cell)，並且細胞的涵蓋範圍(Coverage) 用一個六角形來近似。 縱然目前僅考慮單一細胞層的細胞架構，但是在假設使用者移動速率不會快 速到時常接近細胞邊界(Cell Boundary)的前提下，目前所採用的系統架構、通道 環境、使用者行為與無線管理演算法仍可正確運作，僅多細胞(Multiple Cell)的干 擾效應考量的不完整。來年度的計畫執行目標，將充份模擬兩個干擾層產生的干

擾效果，朝完整模擬細胞架構的方向邁進，以求更真實地反應出無線資源管理演 算法在實際細胞架構下的運作情形。未來兩個干擾層的細胞架構如圖3.1 所示。

16

6

5

17

0

1

18

7

2

9

8

4

3

13

12

15

14

11

10

圖 3.1 兩個干擾層細胞架構

3-1-2 鍊路預算

在建構系統之初，須透過鍊路預算(Link Budget)來估算每個細胞的涵蓋範 圍。但值得注意的是，鍊路預算裡的參數值多為參考一段時間的平均值，因此所 計算出的結果僅能供作系統建置初期的參考；然而，經由此參考數值，方能在規 劃初期有所依據，實際情況則需要透過進一步模擬才能清楚。 表3.1 是一個上鍊鍊路預算的範例。範例中所考慮的情況是使用者在移動速 度30(km hr/ )，服務型態有即時性或非即時性服務可供選擇，考慮接收機的頻寬 為5 MHz ，且環境溫度在 293 K (20 CD _{)。本鍊路預算範例所列出之各項參數與建} 議值可參考H. Holma[19]的著作獲得進一步的說明。鍊路預算中的每一項參數本 身都具有重要的物理意義，並反映出真實系統中的環境變因。底下將詳細解說參 數意義。

Corresponds to 2.95 km cell radius by Vehicular path loss model (v) Allowed path loss for cell range

(u) In-car loss

(t) Soft handover gain, multi-cell (s) Log normal fading margin Propagation model exponent Log normal fading constant Coverage probability

(r) Max. allowable propagation loss (q) Fast fading margin

(p) Cable loss in the base station (o)Base station antenna gain (n) Receiver sensitivity (m) Required Eb/No (l) Processing gain

(k) Total thermal noise+interference power (j) Receiver interference power

(i) Interference margin

h=g+10*log₁₀(5000000); Rx bandwidth = 5MHz (h) Receiver noise power

(g) Receiver noise density

(f) Base station receiver noise figure (e) Thermal noise density

Receiver (base station) (d) Equivalent Isotropic Radiated Power (c) Body loss

(b) Mobile antenna gain

21 (a) Max. mobile transmission power

Transmitter (mobile station)

Uplink Link Budget

dBm

Item Units Values Comments

dBi dB dBm/Hz dB dBm/Hz dBm dB dBm dBm dB dB dBm dBi dB dB dB % dB dB dB dB dB 0 3 18 d=a+b-c -173.93 5 -168.93 -101.94 3 -101.94 -98.94 26.81 5 -120.75 dBm 0 2 0 136.75 N_o=KT; K=1.38*10-23_{, T=293} g=e+f

max. planned noise rise j=10*log₁₀(10(h+i)/10_-10h/10₎

k=10*log₁₀(10h/10₊₁₀j/10₎

l=10*log₁₀(103840/8₎

n=m-l+k

consider omni-directional antenna

when high speed, no fast fading margin r=d-n+o-p-q 95 8 3.52 9 3 6 124.75

if no cell selection, need 13.2

v=r-s+t-u

表 3.1 上鍊鍊路預算範例

環境參數說明：

Max. mobile transmission :

手機發射訊號所能達到的最大功率，單位是

Mobile antenna gain :

手機天線的增益，若值為零則代表使用無指向性(Omni

Directional)天線，若不為零則代表使用指向性(direction)天線。單位為dBi。

Body loss :

手機發射訊號經過人體時所衰減的程度。若值不為零則代表使用者 將手機貼著耳朵使用，若為零通常代表使用數據服務時使用者將手機遠離身體以

閱讀資訊。單位為dB。

Thermal noise density :

背景熱雜訊的密度。與溫度呈正比關係，公式為

0

N =KT。T 為所考慮環境的凱氏溫度， K 為蒲朗克常數，值為 1.38*10-23。單

位為dBm Hz/ 。

Base station receiver noise figure :

訊號經過基地台接收機時，訊號雜訊比 會因為射頻(RF)元件的作用而產生額外的雜訊，此項代表訊號雜訊比(SNR)惡化

的程度。單位為dB。

Receiver noise density :

在基地台射頻接收設備的輸出端，等效的熱雜訊密

度。單位為dBm Hz/ 。

Receiver noise power :

在已知熱雜訊密度的情況下，考慮系統使用理想的濾

波器，則所收到的熱雜訊功率等於熱雜訊密度乘上濾波器的頻寬。單位為dBm。

Interference margin :

系統當初規劃所準備承受的最大干擾(Interference)功

率。此強度是以熱雜訊的強度為比較基準，故單位為dB。由於CDMA 系統的干

擾強度與使用者數量有某種程度的正比關係，故此項的值會直接影響到系統的容 量。以熱雜訊強度為比較基準，是因為當系統硬體設備規格決定後，接收機在濾 波器之後所收到的熱雜訊強度便會固定，不隨其他參數或演算法而有所改變，故 以此為比較的基準。

Receiver interference power :

在基地台射頻接收設備的輸出端，所規劃承受

的最大干擾功率，單位為dBm。

Total thermal noise + interference power :

在基地台射頻接收設備的輸出

端，所規劃承受的最大干擾功率加上熱雜訊功率，單位為dBm。

Processing gain :

在 CDMA 系統中，訊號在傳送端經過展頻，在接收端又經 過解展頻，因此在通道中所引入的干擾與熱雜訊將會被抑制，故訊號雜訊比會因 此而得到增益，稱為展頻增益。其值為(Chip Rate / Bit Rate)，Bit Rate 為訊號的

Required E

b

/N

o

:

使用者選用的服務所需的訊號品質。Eb為訊號中每個位元內

所含的能量(Energy per Bit)，而 No則為熱雜訊的密度(Noise Density)。事實上這

裡的No並不單指熱雜訊的影響，而需同時考慮同頻干擾(Co-Channel Interference)

密度。實際上Eb/No是一個功率的比值，故單位為dB。

Receiver sensitivity :

定義為 Required Eb/No – Processing gain + Total thermal

noise + interference power。其中 Required Eb/No – Processing gain 即為 Required

SIR，表示為滿足某一定值 BER(Bit Error Rate)時所需的訊號品質。Required SIR + Total thermal noise + interference power 為所需要的訊號強度，由於這邊考慮的 interference power 是我們所規劃系統準備承受的最大干擾強度。故可知 Receiver sensitivity 所代表的意義為，當系統處在最惡劣的情況時，在基地台射頻設備的

輸出端所要求訊號須滿足的最低功率，其單位為dBm。

Base station antenna gain :

基地台端所使用天線的增益。值為零代表使用無 指向性(Omni-Directional)天線，若不為零時則代表使用指向性天線。一般而言， 指向性天線常伴隨著細胞分隔(Sectorize)技術的使用，若使用無指向性天線時則

否。單位為dBi。

Cable loss in the base station :

考慮訊號從基地台經由同軸電纜傳送至機房

所遭受到的損耗。單位為dB。

Fast fading margin :

預留一段空間確保傳送端有足夠的功率，讓功率控制機 制在快衰落(Fast Fading)突然變化之際，能試著克服通道衰落的影響以期接收訊

號維持在欲鎖定的目標訊雜比(Target SIR)。單位為dB。

Max. allowable propagation loss :

當使用者手機發射功率最高時，考慮系統 處於近乎所規劃的滿載的情況時，訊號可以容忍的最大傳播損失(Propagation Loss)。單位為dB。

Coverage probability :

當使用者位在所規劃的涵蓋範圍邊界上，在系統中干 擾強度達到所規劃的上限時，使用者傳送到基地台的訊號品質能滿足系統要求的 機率。

Log-normal fading constant :

遮蔽衰落(Shadow Fading)在統計上會呈現 Log-normal 的分佈，而此項則是指這個 Log-normal 分佈的均方差(Standard Deviation)值。此為一量測值，根據環境不同會有所改變。

路徑損失的量近似成與距離的某次方成反比，而此項便代表在該環境中，適合此 路徑損失模型的次方數。此值亦會隨所考慮的環境而有所不同。

Log-normal fading margin :

若將可容許最大傳播損失的門檻(Threshold)訂

為平均的遮蔽衰落加上路徑損失，則當使用者位在涵蓋區邊界時，只有50%的機

會能滿足訊號品質的要求。為達到Coverage probability 的要求，必須在所規劃的

最大傳播損失中，預留一些空間因應遮蔽衰落的變動。在已知Log-normal fading

constant 時，我們便可算出所需要的 Log-normal fading margin。此項的單位為dB。

Soft-handover gain :

當系統有使用軟式換手技術(Soft Handover)時，使用者的 訊號可能會由一個以上的基地台接收，於網路端再將同一個使用者來自不同基地 台的訊號做結合或是選擇性分散(Selective Diversity)。如此能增進訊號的品質。

單位為dB。

In-car loss :

當考慮使用者高速移動時，因此訊號在穿透車輛時所受到額外的

損失必須要考慮進來。單位為dB。

Allowed path loss for cell range :

在考慮所有系統效能限制與所規劃的系統

資源分配後，每個使用者所能夠允許承受的最大路徑損失。單位為dB。 經由上鍊鍊路預算推估出的最大路徑損失值主要與使用者和基地台間的距 離有關，因此透過這個值並配合適當的路徑損失模型，便可規劃出此基地台在滿 足各種條件情況下的有效涵蓋半徑。 在下鍊鍊路中，系統資源的定義為基地台的最大可傳送功率。此未知數的解 法為透過上鍊鍊路預算推估出基地台有效涵蓋半徑後，建立上下鍊鍊路預算的連 結關係，以求得基地台的最大可傳送功率。由於上下鍊鍊路均是設計在同樣大小 的細胞有效涵蓋半徑，推得上下鍊鍊路預算的共同解為最大路徑損失值，因此將 可下鍊鍊路預算來反求基地台的最大可傳送功率。在下鍊鍊路預算中，多項參數 的意義與求值，跟在上鍊鍊路預算中並無不同。唯一特別注意的是，因為本模擬 平台下鍊採用OFDM/CDMA 多載波系統(共 1024 根子載波)，手機端的接收頻寬 較大，對應的背景熱雜訊功率相對地大為增加。並且下鍊之最大展頻係數為 256，讓展頻增益略有下降。因此從下鍊鍊路預算反推出基地台端的等效全向輻 射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP)，再考慮基地台天線增益，與假 設系統平均可允許同時上傳之使用者數目，計算而得基地台之最大可傳送功率。

For allowed path loss equal to UL, we can find p+93.87=124.75

=> p= 30.88 =>P= p+10*log10(53.43)= 48.16 (dBm) = 18.16 (dBW) = 65.46 (W) (s) Allowed path loss for cell range

(r) In-car loss

(q) Soft handover gain, multi-cell (p) Log normal fading margin Propagation model exponent Log normal fading constant Coverage probability

(o) Max. allowable propagation loss (n) Fast fading margin

(m) Body loss

(l) Mobile station antenna gain (k) Receiver sensitivity (j) Required Eb/No (i) Processing gain Number of subcarriers

h=g+10*log₁₀(81920000); Rx BW= 81.92MHz (h) Receiver noise power

(g) Receiver noise density

(f) Base station receiver noise figure (e) Thermal noise density

Receiver (mobile station) (d) Equivalent Isotropic Radiated Power (c) Avg number of users by UL planning (b) Base station antenna gain

P

(a) Max. base station transmission power Transmitter (base station)

Forwardlink Link Budget

dBm

Item Units Values Comments

dBi dBm/Hz dB dBm/Hz dBm dB dB dBm dBi dB dB dB % dB dB dB dB dB 0 53.43 p d=a+b-10*log₁₀(c) -173.93 5 -168.93 -89.79 1024 24.08 5 -108.87 dBm 0 3 0 p+105.87 N_o=KT; K=1.38*10-23_{, T=293} g=e+f i=10*log₁₀(256) k=j-i+h

consider omni-directional antenna

when high speed, no fast fading margin o=d-k+l-m-n 95 8 3.52 9 3 6 p+93.87

if no cell selection, need 13.2

s=o-p+q-r

Frequency spacing KHz 80

表 3.2 下鍊鍊路預算範例

此鍊路預算對於系統建置時的初步規畫有非常大的幫助，但更精確的基地台 涵蓋半徑仍需透過完整的系統模擬才有辦法得知。

3-2

模擬模型

本節將介紹OFDM/CDMA 無線資源管理模擬平台在考量實際環境下，對於 使用者行為與無線通道環境模擬所採用之模型

3-2-1

使用者行為模型

使用者的行為模式會影響其本身通道環境的變化、對系統資源的需求等等， 所以針對實際情況下使用者之行為並加以模擬，將使研究結果更貼近於真實環 境。一般而言，會造成影響的事件有移動行為與不同服務的資料流量(Traffic)。 3-2-1.1 使用者移動模型 首先介紹使用者的移動模型，使用者的移動行為對系統造成的最主要影響在 於換手技術(Handover)。在考慮不同的使用者移動環境中，換手技術所需採用的 演算法或參數可能不盡相同，也間接地影響到系統的干擾強度水平(Interference Level)。接下來將針對系統的幾個主要環境來說明使用者在其中的移動模式，與 該環境的空間模型，模擬的方法可參考[15][17]

室內/辦公室(Indoor Office Test Environment)

此環境是針對一個有空曠樓面的大樓建築，辦公室的座位被可移動的隔版分 隔著，而這些隔板會造成訊號大幅度的變動，且有著 Log-normal 的分佈。此處 所考慮的模型中，並不考慮電梯和樓梯間的使用者，但這些情況實際上是存在 的。此外基地台是使用無指向性(Omni-directional)天線，且考慮系統所蒐集到的 統計特性是在中間樓層所進行[17]。 為了推導使用者從靜止狀態到移動狀態的轉移機率,必須設定以下的參數： 使用者者在辦公室的機率（r）､待在辦公室的平均時間( mr )､座標位置更新時 間間隔(△t)，有了這些參數便可以推算出在每個時間點(1-△t/mr , 1-△t/mc)的轉移 機率和平均在走道的時間(mc)。此外，進入辦公室的流量須等於離開辦公室的流

量，因此可以寫出(3.1)式：

(

_3.1

)

(1

)

t

t

r

r

mr

= −

mc

+

+

圖 3.3 使用者狀態轉移機率表示圖 藉由預設的參數值，圖中的狀態變換機率可以求得： P(S,S) = 1 - 0.005/30 = 0.999833 P(S,M) = 0.005/30 = 0.0001667 P(S,S) = 1-0.0009444 = 0.9990556 P(S,M) = 0.005*85/(30*15) = 0.0009444 在走道平均靜止的時間為 △t/P(S,M) = 5.294 秒

室 內 與 室 外 間 移 動 的 行 人 (Outdoor to Indoor and Pedestrian Test

Environment) 利用類似曼哈頓地區的道路結構來定義室外到室內和行人的環境，使用者沿 著街道移動，並在路口街角處才會轉彎。此種道路結構普遍存在於世界各大城市 之中，可視為是市區內典型的道路結構 在市區的使用者移動模型和街道結構有高度的相關性。在這結構中使用者沿 著街道移動且在十字路口有著一定的機率會轉彎。在模擬系統中所儲存使用者的 座標每5 公尺更新一次，且在每次更新位置時，速度有一定的機率會產生變化。 此環境的使用者移動模型相關參數如下：

- 平均速度： 3km/h - 最低速度： 0 km/h - 速度的標準差（常態分佈）： 0.3km/h - 每個更新位置點時速度改變的機率： 20% - 在十字路口轉彎的機率： 50% 圖 3.4 使用者方向改變機率分佈 使用者在街道上的初始座標位置是均勻分佈的，而起始的移動方向亦是隨機 決定。

在交通工具上(Vehicular Test Environment)

此環境中，使用者位於車輛或其他的載具之內以高速於大範圍的區域中移 動。為了在此環境有效地提供服務，基地台天線的高度必須比平均屋頂高度高上 15 公尺。下圖使用六角型的細胞來代表每個基地台的涵蓋範圍，而基地台間的 距離約為6 公里，這裡的基地台並使用了指向性天線以增加有效的涵蓋範圍。 車輛的移動模型需考慮高速移動且方向改變的量並非特定的值，系統模擬時 使用的座標更新是以非相關距離為準，且在每次更新位置時都有一定的機率會改 變前進的方向。 假設車輛以等速移動，且相關的參數設定如下： - 速度： 120km/h - 在座標更新點變換方向的機率： 20 % - 每次方向最大變化角度： 45 度 - 非相關距離： 20 公尺 使用者的初始座標位置是在地圖上均勻(Uniform)產生，而初始移動方向亦

是隨機產生。 3-2-1.2 使用者資料流量模型 在無線通訊系統中，使用者所使用的服務不同時，對於系統的無線資源 (Radio Resource)的耗用亦不相同。為了能真實模擬出系統的效能，在此針對行動 系統中可能提供的服務來介紹其資料模型，包括即時性服務(如語音服務)與非即 時性服務(如數據服務)。

語音服務流量模型

(Voice Service Traffic Model)

系統中使用的語音傳輸為電路交換(Circuit-Switched)模式的服務。根據統計 的結果，使用者進入系統的時間點會呈現波松(Poisson)分佈，而每位使用者進入 系統時間點的間距是呈現指數(Exponential)分佈。在系統中，每位使用者平均的 通話時間亦呈現指數分佈，並且若使用者在通話過程中沒有講話時，手機將會暫 時停止發送訊號，此時將不會造成其他使用者的同頻干擾。 圖3.5 所示為使用語音服務時所造成的資料流量模型。其中”Active (On)”的 時候代表使用者有講話(有訊號發出)。而在”Active (Off)”的時候，則代表當時使 用者並沒有講話(沒有訊號需要傳送)，即發射端不會發送訊號。因此，語音服務 的資料流量模型被稱為「On-Off Model」。根據統計結果，當使用語音服務時， 其特色在於”On”會持續一段時間，其後接著一段的”OFF”，隨後彼此交替出現， 直到使用者結束語音服務。將整個使用者通話期間的時間平均起來，得到的比值 稱為活動因素(Activity Factor, ρ)，此參數反應出對於通道的使用率。所以在模 擬時，當系統中使用語音服務的使用者很多時，推估使用語音服務之使用者所造 成的干擾功率定義為他們所造成的總干擾功率再乘上ρ。利用此方式來反應出使 用者使用該服務時的資料流量特性，並真實呈現系統中干擾功率的變化。

Active (On) (Off)

Exponential

Distribution

Time

Poisson Arrival

Active 圖 3.5 語音服務流量模型

數據服務流量模型

(Data Service Traffic Model)

除了提供語音服務外，下一世代行動通訊系統將提供大量的數據服務，包括 影像、視訊與網際網路(World Wide Web, WWW)等。雖然上網的平台是透過行動 通訊網路，但根據相關的研究[20]顯示，其數據資料流量的特性與有線網路中以 IP(Internet Protocol)封包（Packet）傳送網際網路資料時的特性相同。因此我們採 用UMTS 規格書[15]中所推薦的數據服務流量模型，此模型是根據使用者瀏覽網 際網路時所造成的資料流量所建構而成，如圖3.6 所示。 First Packet Call Interval Between Packets Reading Time Session Arrival Packets Interval Between Packets Second Packet Call Packets Packets Interval Between Packets End Packet Call Time Session ……… … 圖 3.6 數據資料流量模型

此模型中有數個重要的參數，以下分別說明這些參數所代表的意義：

Session arrival time :

使用者開始使用數據服務的時間點。與語音服務一樣，這些時間點的產生是 依據波松流程。

Number of packet calls per session

NPC

:

使用者瀏覽資料的過程中所閱讀的網頁數目。這個值的產生是透過一個幾何 (Geometric)隨機變數產生。

Reading time between two consecutive packet calls

DPC

:

使用者在閱讀一個網頁所需耗費的時間。經由統計結果，此參數呈現指數分 佈。

Number of packets in a packet call

Nd

:

一個網頁內所包含的檔案數目。一個網頁是由許多小檔案組合而成，須分別 將這些小檔案下載，最後才會呈現出一個完整的網頁。此值亦由一個幾何隨機變 數產生。

Time interval between two consecutive packets in a packet call

Dd

:

下載每個小檔案時，彼此間隔的時間。亦透過幾何隨機變數產生而得。

Packet size

Sd

:

每個小檔案的資料大小，單位為Bytes。此參數經統計是呈帕列托(Pareto)分

( )

( )

( )

1

( )

1

1

,

,

,

1

3.2

m n n k n x m

k

k

m

k

k

m

x f

x dx

x

dx

m

x

m

k

k

x

m

f

x

_x

x

m

k

f

x dx

m

α α α α α α α

α

α

µ

α

α

β

β

α

∞ − + −∞ + ∞

−

⋅

=

⋅

=

+

=

−

⎧ ⋅

_{≤ <}

⎪

= ⎨

⎪

₌

⎩

⎛ ⎞

=

=

_{⎜ ⎟}

>

⎝ ⎠

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎛ ⎞

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎝ ⎠

∫

∫

∫

在使用不同資料傳輸速率時，下載網頁的時間也有所不同，但其影響只會在 於傳送每一個檔案時所需消耗的時間不同；至於使用者的閱讀時間與一個網頁需 要下載的小檔案數目均不受改變。表 3.3 所列出的是當使用不同資料傳輸速率 時，數據資料流量模型所對應的參數平均值： Packet based information types Average number of packet calls within a session Average reading time between packet calls [28] Average amount of packets within a packet call Average inter-arrival time between packets Parameters for packet size distribution WWW surfing UDD 8 kbit/s WWW surfing UDD 32 kbit/s WWW surfing UDD 64 kbit/s WWW surfing UDD 144 kbit/s WWW surfing UDD 384 kbit/s WWW surfing UDD 2048 kbit/s 5 5 5 5 5 5 39.5 39.5 39.5 39.5 39.5 39.5 25 25 25 25 25 25 0.5 0.125 0.0625 0.0277 0.0104 0.00195 k=81.5 α＝1.1 k=81.5 α＝1.1 k=81.5 α＝1.1 k=81.5 α＝1.1 k=81.5 α＝1.1 k=81.5 α＝1.1 表 3.3 不同資料傳輸速率所對應之數據資料流量模型參數

3-2-2

通道模型

在無線通訊環境中，多種無線通道的效應彼此錯綜在一起，如路徑損失(Path Loss)、遮蔽衰落(Shadow Fading)、多路徑衰落(Multi-Path Fading)、接收天線上 之損耗及接收機上產生的熱效應(Thermal Noise…etc)，因此建立一個真實的模擬 環境，將能確保無誤地模擬出系統運作情形[16][17]。圖 3.7 描繪出行動通訊系統 中，訊號傳播所經過的環境及主要造成訊號衰落的幾個原因。 圖 3.7 無線傳播環境示意圖 3-2-2.1 路徑損失模型 電磁波傳播的越遠，訊號損失越嚴重，因此路徑損失的主要因素為傳播距 離。在UMTS 規格書所提供的參考資料[15]中，提供了三種路徑損失模型，茲說 明如下：

室內/辦公室(Indoor Office Test Environment) 此路徑損失模型是根據COST 231† 所提供的量測結果。 (( 2) /( 1) 0.46) 10

37 30

( ) 18.3

n n

L

=

+

Log

R

+

n

+ + − 其中 R ：訊號發射端與接收端兩點間的距離(m) n：訊號在兩端間傳送時所穿過的樓層數 在此環境中所對應的遮蔽衰落變化之標準差約為12dB。

室 內 與 室 外 間 移 動 的 行 人 (Outdoor to Indoor and Pedestrian Test

Environment) 10 10

40

( ) 30

( ) 49

L

=

Log

R

+

Log

f

+

其中 R ：訊號發射端與接收端兩點間的距離(Km) f ：訊號載波頻率( MHz ) 當使用者位在室內時遮蔽衰落變化的標準差約為12dB，而在室外時所對應 的遮蔽衰落變化之標準差則為10dB。

在交通工具上(Vehicular Test Environment)

3

10 10 10

40(1 4 10

_b

)

( ) 18

(

_b

) 21

( ) 80

L

=

− ⋅

−

⋅ ∆

h Log

R

−

Log

∆

h

+

Log

f

+

其中 ∆ ：基地台的天線高度(hb m)

†：關於 COST (European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research)的詳細資料可以在該組織的網站中查調。

http://www.cordis.lu/cost/src/tisthome.htm

根據在真實的無線傳播環境中量測得到的結果，得知遮蔽衰落的變化程度統 計結果是呈現 Log-normal 的分佈。因此在進行系統模擬且沒有考慮特定地形地 物的情況時，採用 Log-normal 分佈的隨機變數，產生遮蔽衰落所造成的影響。 此隨機變數的標準差則隨著所考慮的模擬環境而有所差異。但隨著更進一步的研 究，發現遮蔽衰落變化具有相關性的特性。總結諸多研究可以歸納出兩種遮蔽衰 落的相關性類型：自相關(Auto-Correlation)特性與交相關(Cross-Correlation)特性。 遮蔽效應的自相關模型

遮蔽效應(Shadow Fading)又稱為慢衰落(Slow Fading)，其主要成因來自於訊

號傳播的路徑上有遮蔽物的阻擋，如大廈、山丘等。透過圖3.8 可以說明遮蔽效 應的成因： Building Tree High Building Mobile Station Mobile Station Mobile Station (High Speed) Mobile Station (High Speed) Hill Base Station 圖 3.8 遮蔽效應示意圖 遮蔽效應的影響會隨著使用者所處在的位置而有所不同，因此當使用者沒有 移動時，該使用者所遭受遮蔽效應的影響是不會改變的。反過來說，當使用者移

動時，遮蔽效應便會隨著使用者所處的位置改變而有所變化。但由於使用者的移 動速度有限，因此可推知系統在相鄰兩次取樣時間點時，使用者的位置變動並不 會太大。換言之，在實際空間中，使用者所看到的遮蔽物並不會在這麼短的時間 而有太大的變化，推論得該使用者的訊號強度所遭受到的遮蔽衰落並不應該有太 大的變化。此觀點由實際系統中的訊號量測結果亦得到證實。 由數學的觀點，我們可能稱遮蔽衰落的變化是與相鄰兩取樣點的距離而有相 關性的。由於在短時間內可以將使用者移動的速度視為定值，因此可以將遮蔽衰 落與距離的相關性轉變成為與時間的相關性。由於這種相關性指的是同一組使用 者與基地台之間的連線，在不同的時間點所遭受到的遮蔽衰落彼此之間具有相關 性，因此我們又稱此種相關性為遮蔽衰落的自相關性(Auto-correlation on Shadow Fading)。 有許多學者或研究人員根據他們的量測結果建立起一些描述此種遮蔽衰落 的自相關模型，其中最常被參考使用的便是Gudmundson 所提出的模型[21]，在 UMTS 規格書中對於系統模擬時所建議的遮蔽衰落自相關模型亦為此模型。 遮蔽效應的交相關模型 在前一個小節中說明遮蔽衰落的自相關效應是由於使用移動速度有限，使得 使用者在鄰近的位置所遭受到遮蔽衰落影響程度彼此間有相關性。另一方面，真 實環境中的遮蔽物在空間上具有連續性，因此不同的訊號若是從相同的方向收到 時，這些訊號所經過的傳播空間在某種程度上是相重疊的，使得這些訊號在傳送 時因為遮蔽物而遭受到的遮蔽衰落在某種程度上會將具有相關性。 由於這種相關性存在於某個時間點，某個使用者與不同基地台間傳送的訊號 所各自遭受到的遮蔽衰落彼此間會有相關性。換句話說，這是在某個時間點中， 不同的連線所遭受遮蔽衰落彼此間的相關性，因此我們稱此為遮蔽衰落的交相關 性(Cross-correlation on Shadow Fading)。

Klingenbrunn[22]發展出一套方法，將接收訊號的入射角與遮蔽衰落的交相 關程度建立起關聯。此種方法考慮到入射角越接近的訊號，所經過的傳播空間相 似性越高，因此兩者所遭受到的遮蔽衰落彼此間的相關性便越高。此種方法更仔 細的考慮了傳播空間中不同方向的遮蔽物所造成的不同效果，這可使系統模擬出 的結果更具有參考價值。其它文獻[23][24]對於遮蔽衰落交相關效應亦有值得參 考的研究成果。 結合遮蔽衰落的自相關與交相關特性 在以往的研究當中，系統模擬時很少同時考慮遮蔽衰落的兩種相關特性，這

裡我們考慮了一個特別的方法來結合這兩種遮蔽衰落的相關特性，並且在文獻 [22][25]中找到了相關的理論推導來印證正確性。本模擬平台所依據之相關性數 學模型與系統模擬時的實現方法在[17]中有進一步解說。 3-2-2.3 多路徑衰落模型 多路徑衰落(Multi-Path Fading)是訊號在傳播時經過多次反射後才被接收到 因而產生的效果。當使用者在移動時，接收到的訊號載波頻率將會遭受都卜勒 (Doppler)效應而偏移，再加上因為多路徑傳播造成訊號在使用者周圍環境有散射 效應(Scattering)，導致來自不同方向的訊號所遭受到的都卜勒偏移程度皆不相 同。把來自各方向遭受頻率偏移程度不一的這些訊號相加在一起，會使訊號強度 的波形(Envelop)因為散射而隨著時間有快速的起伏變化。配合多路徑傳播造成相 同訊號抵達接收端會有時間差，便構成了一般無線通道中的多路徑傳播衰落 (Multi-path Fading)，又稱此為快衰落(Fast Fading)。

另一方面，在多路徑訊號傳送下，不同的反射路徑使得每個訊號到達接收機 的長度各不相同，形成同一傳送信號，在不同時間下，接收端接收到不同振幅的 情況，此為延遲擴散(Delay Spread)。OFDM 系統的保護區間長度設計，就是為 了克服延遲擴散的影響。

多路徑衰落模型根據UMTS 規格書[15]當做參考依據，不同的使用者移動行

為模型，將反應在時域通道脈衝響應(Time-Domain Impulse Response)的傳播路徑

數目與對應之延遲擴散。圖3.9 為使用者搭乘交通工具之多路徑衰落時域通道脈 衝響應(Channel A)†，有六根路徑組成，且通道的最大延遲擴散為2510ns。由第 二章所述，本模擬平台設計之 OFDM 符元間距為 15.625 sµ ，保護區間長度為 3.125 sµ 。因此可以確定即使使用者以系統規劃之最高速度移動，所有的訊號延 遲保證落入保護區間範圍內，故 OFDM 子載波彼此間沒有干擾的假設誠屬合 理，致使維持住OFDM 符元的正交性。

Average Power (dB) Relative Delay (nsec) 0 310 710 1090 1730 2510 0 -1.0 -9.0 -10.0 -15.0 -20.0 圖 3.9 使用者在交通工具上之多路徑衰落時域通道脈衝響應 (Channel A) 為了模擬出多路徑衰落的效果，除了藉由時域通道脈衝響應來模擬多路徑傳 播的效果，最重要的就是模擬散射(Scattering)的效果。最常在系統模擬使用的便 是Jakes 模型[26]，Jakes 所考慮的訊號散射環境如圖 3.10 所示。 圖 3.10 Jakes 模型所考慮之訊號入射角度[27] 此模型假設使用者鄰近的反射物在二維的平面上是數量有限且均勻分佈。如

此一來，當使用者朝某個方向移動時，來自每個反射物的訊號所遭受的都卜勒頻 率偏移(Doppler Frequency Offset)便可得知。由於使用者手機上的天線幾乎都是 無指向性(Omni-directional)天線，因此所收到的訊號便是來自每一個反射物的訊 號加總的結果。 †：本模擬平台系統參數僅考慮規格書[15]中的多路徑衰落模型通道類別 A 作設 計。

第四章 系統模擬方法

本章將說明模擬平台之模擬流程，並說明如何依據前述章節之理論，透過電 腦程式完整模擬出真實系統運作下的環境變化。另一方面，也將闡述無線資源管 理演算法的功能與背後意義，使後進的研究者能更加體會出無線資源管理在行動 通訊上扮演的角色，而針對不同議題作更深入的探索。

4-1 系統模擬程序

行動通訊系統中的事件，由於本身特性的不同，因此模擬的方法亦有差異。 一般來說可以分成兩類：事件驅動(Event Driven)，與時間驅動(Time Driven)[29]。 以事件驅動的方式來進行系統模擬者，適合所需要模擬的變數無週期性的變化， 因此時間點可以直接跳躍至事件發生的時刻，以節省系統模擬耗費的時間。以時 間驅動的方式進行系統模擬，主要是針對系統中週期性變化的變數。透過時間驅 動的方式定期去執行特定功能或是更新系統中特定變數，以反應出系統隨時間變 化而有相對應的環境參數。環境參數的變化機制完全是依據真實環境中所統計出

來的模型所設計，因此未來在本系統模擬平台上建構不同理念的無線資源管理演 算法，均能忠實地反應出演算法在實際環境下的效果。 本系統模擬平台之中，整合多項無線資源管理的演算法，個別有適合事件驅 動或時間驅動的特性，因此同時結合這兩種系統模擬的概念來設計本模擬平台， 並將各種不同的演算法依特性分類再加以結合，如此可同時取兩種方法的長處。 圖4.1 為系統模擬邏輯示意圖，解說系統模擬不同事件的模擬流程： Time (sec) System Initialization at t=0 Call Departure

New Call Arrival

Shadow Fading

Update Traffic update

Event Driven Time Driven 圖 4.1 系統模擬邏輯示意圖 圖4.1 舉例列出了模擬平台中其中幾個具代表性且具不同驅動特性的事件。 圖的上半部所描述的是非週期性發生的事件，這些事件在程式中相關的動作會以 事件驅動(Event Driven)的方式處理。另一方面，在圖的下半部所描述的是週期性 發生的事件，這些事件相對應的動作會以時間驅動(Time Driven)的方式處理。儘 管同是時間驅動的事件，依據特性的不同，設計使每個事件有其各自的更新週 期，以增加系統運作的效率。以下將說明在模擬平台中所有的事件，與每個事件 中所對應的功能與相關的設計：

事件驅動之事件

New Call Arrival

產生一個新的使用者進入系統，同時將該使用者相關的資訊初始化，包含位 置座標、服務形態、移動速度、移動方向、與每個基地台間連線所遭受到的遮蔽 衰落。此事件發生的時間點是由一個波松分佈所決定。伴隨著新使用者的產生， 細胞搜尋(Cell Search)與允入控制(Admission Control)的機制將會被啟動。