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LTE下行鏈路封包排程模擬器之研究

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Academic year: 2021

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(1)國立臺灣師範大學電機工程學系 碩士論文 指導教授:王嘉斌 博士. LTE 下行鏈路封包排程模擬器之研究 Survey of Downlink Packet Scheduling Simulator in LTE Communication System. 研究生:傅方儒 撰 中 華 民 國 一百零六年六月.

(2) LTE 下行鏈路封包排程模擬器之研究 學生:傅方儒. 指導教授:王嘉斌. 國立臺灣師範大學電機工程學系碩士班. 摘. 要. 近年來,長程演進技術(Long Term Evolution,LTE)已成為第四代行動 通訊的無線系統,而國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)與第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project,3GPP)國際 標準組織為了評估各種解決方法,已經開始訂定各種模擬規範,主要是用 於複雜且具有整體驗證性質的系統層級模擬器(System level simulator, SLS)。 系統層級模擬器LTE-Sim是一個開放源碼基於C++的模擬器,其設計理念是 希望能完整實現演進型技術協定層,可提供完整的LTE網路性能驗證和讓 研究人員進行修改,並用來了解LTE長程演進技術整體網路的效能,在本 論文中,利用公平比例(Proportional Fairness,PF)、最大延遲優先(Maximum Largest Weighted Delay First, M-LWDF)和指 數型 公平演 算法 (Exponential Proportional Fairness,EXP/PF),去評估LTE-Sim模擬器對於LTE系統的效能 測試,例如:基地台平均傳輸速度、流量影響、使用者裝置、封包吞吐量、 延遲和公平性等效能評估,並增加一個公平比較的模擬平台。. 關鍵字:LTE-Sim模擬器、長程演進技術。 i.

(3) Survey of Downlink Packet Scheduling Simulator in LTE Communication System Student:Fu, Fang-Ju. Advisor:Dr. Wang, Chia-Pin. Department of Electrical Engineering National Taiwan Normal University ABSTRACT. In recent years, Long Term Evolution (LTE) has become the fourth generation mobile communication wireless system. System-Level Simulator (SLS) LTE-Sim is an open source C ++-based simulator designed to fully implement the protocol layers of LTE, providing a complete network performance verification and allowing researchers to modify the protocols. In this thesis, we use LTE-Sim to study the effeteness of different packet scheduling algorithms including the Proportional Fairness (PF), Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF) and Exponential Proportional Fairness (Exponential Proportional Fairness, EXP / PF). From the simulation results, we provide a fair comparison of Quality of Service (QoS) metrics such as throughput, packet delay and packet loss rate with different packet scheduling algorithms in the LTE-Sim platform. By the analyses and solutions investigated in this work, we hope to thoroughly provide an in depth view about the design and implementation of the beyond 4G mobile communication system.. Keywords — LTE, LTE-Sim simulator. ii.

(4) 誌. 謝. 在師大的研究生涯中,認識了許多志同道合的朋友和一起向上學習的 同學,在這兩年多的日子裡,學習到了許多專業的知識和正面積極的思考 模式,其中最感謝我的指導教授王嘉斌博士的耐心教導與細心栽培,老師 時常會在學術領域上給予我許多寶貴的意見和方向,讓我在研究中擁有正 確的觀念和態度去面對任何專業領域上的問題,讓我受益良多。如今即將 畢業,我一定謹記老師對我的諄諄教誨以及無私的付出,我將刻骨銘心, 永志不忘。. 感謝德生、孟原和宜蒲學長,在我碩一時給予我許多的幫忙和協助, 讓我能夠更快的熟悉環境和實驗室的相關規範。感謝和我一起奮鬥的啟銘, 在這兩年中我們一起度過許多艱苦的夜晚和一起走過有歡笑有玩樂有艱 辛的路,但我們有堅持到底的決心,才有現在的成就,我一定不會忘記這 些日子我們相處的回憶。感謝峻佑、冠汎和康吉學弟,有你們的加入讓實 驗室增添了不少色彩與歡樂。感謝峻佑和冠汎時常找我打球讓我懂得在研 究時需要適時的放鬆,下次才能更專心的投入於研究中。感謝承諺和東昇 學長在我研究中遇到任何問題,都適時給予我重要的幫助。感謝東鴻、冠 緯、冠儀、鈺凱、玉瑄、國倫、柏維、孟霆、慧生和旻翰,能在碩班認識 你們這群努力向上的好兄弟,是我莫大的榮幸。感謝系辦的琇文助教不辭 辛勞的幫我們處裡報帳的事項、婷節助教的耐心與寬容以及嘉安助教的專 業諮詢。. 感謝家人對我的養育之恩,感謝父親傅廷震先生和李美滿女士,有你 們的支持才有我現在的成就,謝謝你們對我的疼愛與包容,此生感激不盡。 感謝姊姊傅方宜和弟弟傅方明,有你們成長時的陪伴與互相關心,讓我深 iii.

(5) 感榮幸。最後,我由衷感謝出現在我生命中的每一個人,有你們的出現才 是我繼續向前的動力,你們都值得感激。未來我將會保持正面積極的態度 去追求屬於我人生新的扉頁。. 傅方儒 謹誌於師大 中華民國一零六年六月 iv.

(6) 目. 錄. 中文摘要............................................................................................. i 英文摘要............................................................................................ ii 誌. 謝........................................................................................... iii. 圖 目 表. 目. 第一章. 錄...................................................................................... vii 錄....................................................................................................................ix. 緒論................................................................................ 1. 1.1. 研究動機與背景................................................................................................... 1. 1.2. 研究目的............................................................................................................... 2. 1.3. 文獻探討............................................................................................................... 2. 1.4. 論文架構............................................................................................................... 3. 第二章. 相關知識介紹................................................................ 4. 2.1 LTE 長程演進技術概述 ...................................................................................... 4 2.2 LTE 通訊協定堆疊 .............................................................................................. 9 2.3. 資源塊(Resource Block,RB) ........................................................................... 12. 2.4 LTE 系統媒體存取控制層架構 ........................................................................ 13. 第三章. 本論文研究與探討...................................................... 15. 3.1 研究動機與目的.................................................................................................. 15 3.2 模擬器分析與比較.............................................................................................. 15 3.3. LTE 系統軟體設計介紹 .................................................................................... 17. 3.4. 操作說明及使用方法......................................................................................... 21. 3.5. 基本演算法介紹................................................................................................. 23 v.

(7) 3.5.1 比列公平(Proportional Fairness,PF)演算法 .................................................. 23 3.5.2 最大延遲優先(Maximum Largest Weighted Delay First,M-LWDF)演算法 25 3.5.3 指數型比列公平(Exponential Proportional Fairness,EXP/PF)演算法 ......... 26. 第四章. 數值分析與模擬結果.................................................. 27. 4.1. 模擬環境與參數設定......................................................................................... 27. 4.2. 模擬結果與討論................................................................................................. 27. 第五章. 結論.............................................................................. 32. 參 考. 文 獻.............................................................................. 33. 自. 傳.......................................................................................... 35. vi.

(8) 圖. 目 錄. 圖 2-1、正交分頻多工存取示意圖........................................................................ 4 圖 2-2、單一細胞的模擬環境 ................................................................................ 5 圖 2-3、MULTI-CELL/MULTI-USERS 的模擬環境 .................................................. 6 圖 2-4、FDD 與 TDD 的差異 ................................................................................. 8 圖 2-5、單天線和多天線通訊系統......................................................................10 圖 2-6、LTE 網路層通訊協定示意圖 .................................................................11 圖 2-7、資源塊示意圖 ...........................................................................................12 圖 2-8、LTE 系統基地台協議層 ..........................................................................13 圖 2-9、LTE 系統之無線介面整體協定架構.....................................................14 圖 3-1、單細胞/多細胞模擬場景..........................................................................15 圖 3-2、AMARI LTE-100 基本結構.......................................................................16 圖 3-3、LTE 網路架構............................................................................................16 圖 3-4、CYGWIN64 TERMINAL 模擬平台 .............................................................17 圖 3-5、UBUNT U TERMINAL 模擬平台 .................................................................18 圖 3-6、LTE 系統之協定架構...............................................................................19 圖 3-7、LTE-S IM 流量管理架構圖........................................................................20 圖 3-8、LTE-S IM 網路管理架構圖 .......................................................................20 圖 3-9、基本參數設定 ............................................................................................21 圖 3-10、基地台對於使用者裝置所要求的下行鏈路傳輸 .............................22 圖 3-11、比例公平演算法流程圖.........................................................................24 圖 4-1、VIDEO 的延遲...........................................................................................28 圖 4-2、VIDEO 的封包遺失率..............................................................................28 vii.

(9) 圖 4-3、VIDEO 的吞吐量 ......................................................................................29 圖 4-4、VO IP 的延遲 ..............................................................................................30 圖 4-5、VO IP 的封包遺失率 .................................................................................31 圖 4-6、VO IP 的吞吐量 ..........................................................................................31. viii.

(10) 表. 目 錄. 表 2-1、LTE 主要的性能指標................................................................................. 7 表 2-2、編碼標準參數表........................................................................................10. ix.

(11) 第一章. 緒論. 1.1 研究動機與背景 近年來由於智慧型手機帶動行動世代的崛起,更加速了無線通訊技術 的發展與革新,並且提供人們更為寬闊與多元的社交應用,當前的無線通 訊網路裝置為了滿足使用者的需求與資料來源的多樣性,必須支援動態即 時資料流(Streaming Data)的混合傳輸,例如:視訊會議、網路電話、網路電 視以及即 時多媒體 行動裝置 網路服務 。第四代 行動通訊 技術(The fourth generation of mobile phone mobile communication technology standards,4G ) 是為了與之前的第二代 2G(Second Generation)、第三代(3 rd- Generation)行 動通 訊 電 話 做 出 區 隔 , 在 第 二 代 全 球 行 動 通 訊 系 統 (Global System for Mobile Communication,GSM)只支援線路互換的語音通道,主要透過語音 行動通道傳送簡訊和打電話,而通用封包無線服務(General Packet Radio Service,GPRS)系統支援封包交換,但由於使用語音通道去傳送封包,因 此 上 網 速 度 緩 慢 ; 第 三 代 通 用 行 動 通 訊 系 統 (Universal Mobile Tele communications System,UMTS)是當前廣泛採用的第三代行動電話技術, 由於第三代通訊技術同時支援第二代通訊技術,因此當用戶使用 3G 的手 機傳收封包訊息時,也可使用行動通訊系統的語音通道來完成;第四代長 程演進技術(Long Term Evolution,LTE)的發展,目的是提供使用者更為高 速、便利的無線品質服務。. 1.

(12) 1.2 研究目的 智慧型手機不斷推陳出新,大眾對於使用手機上網已經成為日常生活 的事情,在這樣的情況下,使用者對電信網路的傳輸速率需求日益增加, 國際標準組織紛紛提出 4G 網路的一套依據標準,例如: 全球互通微波存 取(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)、長程演進技 術(Long Term Evolution,LTE),目前 LTE 聲勢日益看漲,為未來 4G 網路 發展的重點。LTE 網路為 3GPP 第三代合作夥伴計畫制定的標準,目前市 面上已有廠商製造出 LTE 的模擬設備,而在學術上也有相關的論文研究, 因此本論文使用 LTE-Sim 模擬器,來了解 LTE長程演進技術網路的效能, 再利用基本的演算法,去測試 LTE-Sim 模擬器對於整體 LTE網路系統效能 的評估。. 1.3 文獻探討 由於全球 5G 行動通訊的研發正如火如荼的展開,系統層級模擬器 LTE-Sim 已成為不可或缺的工具。文獻[1]描述各種 LTE 的相關技術。文獻 [3]說明多輸 入多輸出 MIMO( Multiple-Input and Multiple-Output)的天線 無 線通訊系統之技術,文獻[4] LTE 利用 OFDMA 的存取技術,描述資源塊 的細節與基地台中使用下行鏈路封包排程之問題探討和研究。文獻[5]說明 LTE系統媒體存取控制層、封包資料匯聚通訊協定和無線電連結控制相關 架構圖。文獻[6]在這篇論文中,說明基於 MATLAB 的 LTE 系統層級模擬 器去評估模擬器的性能測試。文獻[8]說明一個開源框架模擬器,即 LTESim,能夠提供 LTE 系統完整性能的驗證,有完整的協定層,來提供給模 擬器更加準確的模擬效果。文獻[9]描述 LTE 下行鏈路封包排程的資源分 配與服務品質的相關演算法。文獻[10]使用 LTE 模擬器模擬公平比例、最 大延遲優先和指數型比例公平演算法對於模擬器的系統評估及測試。. 2.

(13) 1.4 論文架構 本論文組織如下:第一章為緒論介紹,第二章詳細介紹長程演進技術 之研究,第三章詳細說明 LTE-Sim 模擬器的功能介紹,第四章說明數值分 析與模擬結果,第五章為本論文之結論。. 3.

(14) 第二章. 相關知識介紹. 2.1 LTE 長程演進技術概述 LTE長程演進技術是由第三代合作夥伴計畫所提出新的無線電接收技 術,主要 提供一 個平台 朝向第四 代行動 通訊技 術(4th Generation Mobile Telecommunication Standards)的無線系統。長程演進技術採用正交分頻多 工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)做為下 行 鏈路實體層的傳輸技術,而正交分頻多工存取大量利用互相正交的鄰近子 載波(Subcarrier)進行資料的傳輸,增加訊號接收的正確機率,用戶可選擇 對自身訊號而言相較佳的頻段進行資料的傳輸(如圖 2-1)。對於頻譜多樣 性也提供很好的網路效能,為了有效地使用無線電資源,目前已經發展出 許多不同目標的資源分配演算法。由於現今智慧型終端機趨向普及,對於 多媒體 應用 連網 的需 求已 呈現 爆炸 性的 成長 ,確 保即 時性 的服 務品 質 (Quality of Service,QoS)已成為封包排成需要克服的問題。. OFDMA 用戶一. 用戶二 用戶三 用戶四. Sub-Carriers. 用戶五 用戶六. Time. 圖 2-1、正交分頻多工存取示意圖[1]. 4.

(15) 基 本 網 路 拓 樸 是 由 一 組 單 一 細 胞 (single-cell) 和 網 路 節 點 (network nodes)所組成,而在每個細胞中包含了基地台、使用者裝置(User Equipment, UE)和一個或多個行動管理實體(Mobility Management Entity,MME)/服務 閘道器(Serving GW,S-GW),網路管理套件提供了網路拓樸創建和管理的 所有方式(如圖 2-2)。LTE 單一細胞中,透過細胞類別(cell-class)去實現唯 一 識 別 碼 (Unique Identifier , UID) 的 標 誌 , 而 在 直 角 笛 卡 兒 座 標 系 統 (Cartesian Coordinate System,CCS)中定義了半徑和位置。(圖 2-3)為多細 胞多用戶的模擬環境示意圖。. 使用者 演進行基地台. 使用者. 使用者. 使用者. 圖 2-2、單一細胞的模擬環境. 5.

(16) 行動管理/服務閘道器. 演進行基地台 使用者. 演進行基地台. 演進行基地台. 圖 2-3、Multi-cell/multi-users 的模擬環境. 6.

(17) 現實中,為了有效地支援當前使用者所需的各種應用,LTE 網路對於 強大 3G 網絡的特性作為最基本的要求,主要設計用於高清語音服務。目 的是提升前一代的頻譜效率(spectral efficiency),並且讓細胞邊緣的使用者 (cell-edge users)提升網路覆蓋區域的傳輸性,此外,為了支援高速移動的用 戶,允許下行鏈路和上行鏈路的尖峰資料速率(peak data rates)分別定義為 100Mbps 和 50Mbps(如表 2-1)。LTE 的規範是引入尖端的無線電資源管理 (Radio Resource Management,RRM)技術去提升服務品質[4]。. 表 2-1、LTE 主要的性能指標[4]. 7.

(18) 目前 LTE 4G 的標準有兩個,分別為分頻雙工長期演進技術(Frequency Division Duplexing , FDD) 和 分 時 雙 工 長 期 演 進 技 術 (Time Division Duplexing,TDD),而 FDD 和 TDD 兩者技術上相似度很高,主要差別是 採用不同的雙工方式,FDD 是通過頻率來做分割,在兩個互相對稱的頻率 上,下載是經過下行鏈路從基地台發送封包給使用者,而上傳是經由上行 鏈路從使用者端傳送封包到基地台,但在一般情況下,大部分的用戶使用 下載的時間多過於上傳的時間。在覆蓋率上面來說 FDD 適合廣域覆蓋, TDD 適合熱點區域覆蓋,而在相同頻率和相同功率的條件上,兩者比較顯 示出 FDD 比 TDD 覆蓋率來的較好,其主要原因為 TDD 使用上行鏈路時,. FDD LTE. DL-Downlonk UL-Uplink. Frequency. Frequency. 在發射功率的時間要比 FDD 時間短[2]。. TDD LTE. DL-Freq UL-Freq. UL Time. DL. UL. DL Time. 圖 2-4、FDD 與 TDD 的差異[2]. 8.

(19) 2.2 LTE 通訊協定堆疊 在 LTE 規格中,演進數據封包系統(Evolved Packet System,EPS)承載 已經被引入去提供服務品質的差異性,演進數據封包系統會將流量映射到 使用 者 和 基地 台 之 間的 邏 輯 通道 (Logical channel)中。 而 演 進封 包 核 心 (Evolved Packet Core,EPC)將無線電承載分為專用承載(Dedicated Bearer) 以及默認承載(Default Bearer)兩種,依照使用者簽約的預設服務品質等級 建立一個預先設定的承載,每一個使用者至少都儲存一個啟動裝置的承載 (Active Bearer),來保證使用者在開始接收或傳送應用服務時具有更短的延 遲,並確保用戶端永遠保持連線(Always On Line)。而根據流量映射的服務 品質的要求,承載也可被分類成保證比特率(Guaranteed Bit Rate,GBR)或 非保證比特率(Non- Guaranteed Bit Rate,Non-GBR),在特定項目中,默認 承載是非保證比特率,專用承載可以保證比特率和非保證比特率兩者間兼 顧。而在當前軟體版本中,僅專用無線承載被開發[8]。. A. 服務品質和無線承載 承載類別有專用無線承載的模型,當下行鏈路和上行鏈路流量開始時, 演進數據封包系統會觸發基地台和使用者之間的專用無線承載。此外,對 於每一個用戶和基地台可以觸發一個或多個承載。 服務品質的參數目的是去提供每一個承載對於服務品質流量需求的 定義,例如: QoS 類別的識別碼符號和保證最大比特率。. B. 應用層. 在應用層中,透過專用無線承載傳送的封包(packet)是由三個不同的流 量產生器生成的:網路電話(Voice-over-IP,VoIP)、無線緩衝器(infinite-buffer) 和固定位元率(Constant Bit Rate,CBR)。而網路電話是利用 G.729 語音壓 9.

(20) 縮標準技術所發展出來的(如表 2-2)。其所用語音框架為 10ms,而每一個 框架有 80 個取樣值(80 bytes),在每 10ms 的時間內,語音訊號會被分析, 並使用碼激勵線性預測(Code Excited Linear Prediction,CELP)演算法,去 增加傳輸效率,但缺點是會造成比較長得延遲時間[11]。. 表 2-2、編碼標準參數[11] Codec. Bandwidth. Packet Delay (ms). G.711. 64kbps. 1.0. G.723. 6.4 Kbps. 67.5. G7.29a. 8 Kbps. 25.0. iLBC. 13.3/15 Kbps. 30/20. C. 天線無線通訊系統. 單天線和多天線的區別方式為接收端和發射端訊號的天線數量,當 收發端的天線數目都為一時(如圖 2-5)。稱為單輸入單輸出系統(SingleInput Single-Output,SISO);反之則稱為多輸入多輸出系統(Multi-Input Multi-Output,MIMO)[3]。. 圖 2-5、單天線和多天線通訊系統[3] 10.

(21) D. 網路層通訊協定. LTE 網路層通訊協定技術是關於無線電資源管理/S1 傳輸介面/X2 傳 輸介面通訊協定技術(如圖 2-6)。根據行動管理實體的閒置狀態、演進封包 系統承載控制(EPS Bearer Control)和封包資料閘道(Packet Gateway,P-GW) 的使用者端網路位址配置、封包過濾技術(Packet Filtering)等網路層通訊協 定技術,使 LTE 無線通訊系統與核心網路進行連接,並支援 LTE 移動性 的服務功能[5]。. EPC. E-UTRAN. MME. Idle State Mobility Handling eNodeB EPS Bearer Control. RRM. S-GW. P-GW. X2. Mobility Anchoring. eNodeB. UE IP Address Allocation. S1. RRM. Packet Filtering. 圖 2-6、LTE 網路層通訊協定示意圖[5]. 11.

(22) 2.3 資源塊(Resource Block,RB) LTE 利用 OFDMA 的存取技術,能夠將頻域(Frequency Domain)與時 域(Time Domain)的資源做有效率的規劃及分配,資源塊是 LTE 傳輸的資 源單位(如圖 2-7)。LTE的資源塊圖形中縱座標為頻率、橫坐標為時間的資 源單位,每一個資源區塊由 12 個頻寬為 15kHz 的子載波(Subcarrier)組成, 總頻寬為 180kHz。1 個子訊框(Sub-Frame)則由 2 個時槽(Time Slot)組成, 每一個時槽為 0.5ms。1 個訊框(Frame)則由 10 個子訊框所組成,共包含 20 個時槽。資源塊的數量是根據系統頻寬配置而有所變化,例如:5MHz的系 統頻寬對應到的資源塊為 25RB,10MHz 的系統頻寬則是 50 個資源塊[4]。. 圖 2-7、資源塊示意圖[4]. 12.

(23) 2.4 LTE 系統媒體存取控制層架構 在 LTE 系統中,為了要提高資源使用率和系統彈性,在整體設計方面 引入動態排程機制,將不同的應用服務對應到不同的資料流上,確保不同 類型的應用服務得到足夠的服務品質。在 LTE通訊協定中,第二層為資料 傳輸層,主要包含封包資料匯聚通訊協定(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、無線電連結控制(Radio Link Control,RLC)、媒體存取控制(Medium Access Control,MAC)三個子層(Sub-layer),如圖 2-8 所表示[5]。 Radio Bearer Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Layer 2. Radio Link Control (RLC). Logic Channels Medium Access Layer (MAC) Transport Channels. Layer 1. Physical Layer (PHY). Physical Channels. 圖 2-8、LTE 系統基地台協議層[5] 1.. PDCP:主要負責的功能有資料包的標頭(Header)壓縮與解壓縮、資料加 密/解密和資料完整性的保護。. 2.. RLC:主要的功能為對服務資料單元進行切割及組合,使之成為適當大 小的協定資料單元。. 3.. MAC:主要是為了防止 RLC 去提供協定資源單位的遺失,所以具備混 合式自動回覆請求重傳(HARQ)功能,防止資料的遺失。 13.

(24) LTE 系統架構層中基地台無線介面之協定整體架構層(如圖 2-9)所表 示。RLC 和 MAC 層之間有邏輯通道(logic channel),MAC 與 PHY 層之間 則為傳輸通道(transport channel),邏輯通道是依據資料封包訊息來做區分, 傳輸通道是依據傳輸訊息的特性來做區別[5]。. RLC Logical Channels. MAC Transport Channels. PHY Physical Channels 圖 2-9、LTE 系統之無線介面整體協定架構[5]. 1.. 實體通道(physical channel):此通道為傳送資料封包的通道,訊號會經 過無線射頻模組之專用通道傳送資料至接收端達到資料傳輸的目的。. 2.. 邏輯通道(logic channel):與實體通道在傳輸資料時會將資料分配成特 殊型態資訊,一般而言邏輯通道可分成兩類:. (1) 控制通道(control channel):傳輸控制層面(control plane)之資訊。 (2) 業務通道(traffic channel):傳輸用戶層面(user plane)之資訊。 3.. 傳送通道(transport channel):連結 媒體存取控制與實體層,說明資料傳輸 是如何在空中介面上傳送。. 14.

(25) 第三章. 3.1. 本論文研究與探討. 研究動機與目的. 全球 5G 行動通訊的研發正如火如荼展開,國際電信聯盟(ITU)與 3GPP 國際標準組織為了評估各種解決方法,已經開始訂定各種模擬規範,主要 是用於複雜且具有整體驗證性質的系統層級模擬器(System level simulator, SLS)。系統層級模擬器需具有能夠模擬大量基地台與大量的使用者裝置之 間的封包排程、互動、與干擾行為的功能。可以用來了解長程演進技術(LTE) 整體網路的效能,例如:基地台平均傳輸速度、流量影響、使用者裝置、 封包吞吐量、延遲和公平性等效能評估。. 3.2. 模擬器分析與比較. 透過 MATLAB 撰寫的 LTE 物理層模擬器,其主要的特點是可實現具 有適應性調變與編碼(AMC)、多數入多輸出(MIMO)傳輸、多使用者裝置和 排程的 LTE 下行鏈路。LTE 模擬環境中可支援單細胞/多細胞多個使用者 裝置,而程式碼公開可免費使用,缺點則是無法實際應用、不完整的 LTE 協定層和不支援上行鏈路(如圖 3-1)。 Multi-Cell Multi-User. Single-Downlink. Single-Cell Multi-User. 圖 3-1、單細胞/多細胞模擬場景[6] 15.

(26) Amari LTE-100 是由派恩科技公司所研發的一套 LTE 模擬軟體(如圖 3-2),其模擬器對於 LTE 的實體層、協定層和演進封包核心(EPC)都符合 3GPP 的規範,但需付費購買和原始碼不公開[7]。. 使用者裝置. 天線 EPC 主機 USRP. 基地台 UE Simulator. 圖 3-2、Amari LTE-100 基本結構[7]. 目前為止缺乏一個通用免費的的 LTE 模擬器讓研究人員來評估整體 LTE 系統的性能,直到 LTE-Sim 模擬器的出現。LTE-Sim 是一個開放源碼 基於 C++的模擬器,其設計理念是希望能完整實現演進型技術協定層,可 提供完整的 LTE網路性能驗證和讓研究人員進行修改,並增加一個公平比 較的模擬平台。(如圖 3-3)對於 LTE 網路包含兩個部分:演進的通用陸面無 線接入(E-UTRA)與演進封包系統 (EPC)[8]。 EPC E-UTRAN. MME UE. Operator IP Services. eNB Serving Gateway. PDN Gateway. 圖 3-3、LTE 網路架構. 16.

(27) 3.3 LTE 系統軟體設計介紹 本章節中,我們將使用 LTE-Sim 模擬器去執行演進型技術系統層級的 模擬,其中 LTE-Sim-r5 內部語法是使用 C++程式語言,而外部的殼層腳本 (Shell script)是使用 Linux進行編排及編寫的一套模擬軟體,為了確保模擬 時的靈 活性、 高性能 、和 模組化 ,所以 大量 使用物 件導向 程式 (Objectoriented programming,OOP)做編排,以達到最佳的效能。 LTE-Simulation 模擬器是由 Linux 指令 去呼叫與執行,在 Microsoft Windows 64 位元作業系統中需安裝 Cygwin64 Terminal 終端機(如圖 3-4)。 Cygwin 的 基 礎 是 一 套 軟 體 模 擬 層 , 也 就 是 cygwin1.dll , 由 此 可 知 DLL(Dynamic Link Library,動態連結程式庫)去提供可移植作業系統介面 (Portable Operating System Interface,POSIX)的功能,能在 Windows 上模擬 出 Linux。而在 Mac OS X 作業系統上,則需安裝 Ubuntu 去作執行,Ubuntu 是眾多 Linux 發行版本的作業系統之一。. 圖 3-4、Cygwin64 Terminal 模擬平台 17.

(28) 圖 3-5、Ubuntu Terminal 模擬平台. 統一塑模語言(Unified Modeling Language,UML)是一種開放式的建圖 方法,主要用於說明、建構和編寫物件導向,適用於大規模和複雜的系統 進行塑模,特別是在軟體架構層次已經被有效驗證,而在本篇論文中顯示 出重要的類別說明方式與圖形,下列主要說明兩個部分(如圖 3-6)。 1. 協定推疊(Protocol Stack):協定推疊下列包含三個查詢虛擬關係有封包 資料匯聚通訊協定、無線電資源控制和媒體存取控制,其中媒體存取控制 實體的表單中可搜尋到用戶與基地台的媒體存取控制實體。封包排程檔案 方面必定是儲存在基地台的媒體存取控制實體裡,而封包排程中又分為流 量 管 理 的 排 程 、 比 例 公 平 (Proportional Fairness , PF) 、 最 大 延 遲 優 先 (Maximum Largest Weighted Delay First , M-LWDF) 和 指 數 型 比 例 公 平 (Exponential Proportional Fairness,EXP/PF)演算法。 18.

(29) 2.. 應用服務:承載資料夾是儲存在應用服務中,而應用服務中包含網路電 話、無限緩衝(Infinite Buffer)、固定傳輸率和視訊串流[8]。. 圖 3-6、LTE 系統之協定架構[8]. 19.

(30) LTE-Sim 支援:無線資源控制管理承載,並且能根據不同的即時性訊務 對其承載設定不同的服務品質需求(如圖 3-7)。. 流量管理器 佇列 應用服務. 承載 服務品質參數. 無限緩衝. 網路電話. 固定傳輸率. 視訊串流. 圖 3-7 、 LTE-Sim 流量管理架構圖[9]. 基本 LTE-Sim 支援:單/多細胞環境、服務品質的管理、多使用者裝置 環境、用戶移動性和頻率覆用技術。在協定層方面 LTE-Sim 支援:資料匯 聚通訊協定對上層封包進行資料保密和壓縮;媒體存取控制執行無線資源 管理,封包排程器被定義於此層進行上/下行鏈路的資源分配(如圖 3-8)。. 網路管理器. 資料匯聚 通訊協定. 網路節點. 媒體控制 存取. (等比例公平,最大延遲優先...). 協定層. 封包排程器 適應性編碼. 演進型基地台. 無線電資 源控制. 使用者裝置. 圖 3-8 、 LTE-Sim 網路管理架構圖[9]. 20.

(31) 3.4. 操作說明及使用方法 本研究中去說明 LTE-Simulation模擬器的操作及使用方法,而進一步. 去執行系統效能的模擬及評估。在過往的研究中,大多考量資源分配和封 包排程器的演算法,而較少人去探討使用者裝置移動的情形和選擇較好頻 譜使用率的位置推薦。. 首先,使用桌上型個人電腦安裝 Cygwin 模擬器去測試 LTE-Sim-r5 資 料是否可正常執行出數據結果與繪出模擬圖,基本模擬圖包含封包遺失率 (Packet Loss Ratio)、吞吐量(Throughput)、頻譜效率(Spectral Efficiency)、公 平性(Fairness)和延遲(Delay)。以下為操作步驟的流程: Step1:LTE-Sim-r5 資料夾中,進入 Run 層的 doSim1.sh 執行檔,使用 Linux 指令去執行。 Step2:由 doSim1.sh 執行檔中,設定基本參數例如:模擬次數(Number of simulations)、細胞半徑(Radius in km)、細胞個數(Number of cells)、使用 者移動速度(User speed)、最少使用者和最多使用者個數與調整使用者人 數之間隔以及網路電話和網路影片的流量次數(如圖 3-9)。. 圖 3-9、基本參數設定 21.

(32) 我們在 LTE-Sim 模擬中,使用者裝置會均勻分布在演進型基地台半徑 一公里的圓形細胞內,並且只考慮下行鏈路的資訊傳輸(如圖 3-10)。使用 者裝置會在一段時間內觀看影片以及使用語音通話,在這期間中只會使用 即時性或是非即時性其中一種型態的流量。其中即時性流量我們採用視頻 串流的追蹤檔案;非即時性流量我們採用無限緩衝,說明佇列中一直有封 包在 等 待 被 傳送 出 去 。 演進 型 基 地 台會 採 用 適 應性 調 變 編 碼 (Adaptive modulation and coding,AMC)技術,根據使用者裝置目前的通道品質狀況 去做不同等級的調變,並且透過實體下控制通道通知使用者裝置。. Local eNB. (Voice-over-IP,VoIP) (Video Steaming). BS-UE Link. D2D Link. 圖 3-10、基地台對於使用者裝置所要求的下行鏈路傳輸. 22.

(33) 3.5 基本演算法介紹 LTE封包排程演算法的目的是去最大化小區域的系統容量和滿足所有 用戶的服務品質需求,同時試著取得利用率和公平性的最佳權衡。在 LTE 系統中,已經引入通道靈敏排程的概念,利用用戶之間快速衰落的獨立性 質,去測量不同的通道品質,再給定的時間內找到具有良好或相對良好的 通道給條件較好的用戶使用。在本文章研究中,對於即時性流量和非即時 性流量的封包排程演算法分為三種: 比例公平、最大延遲優先、指數型比 例公平演算法。. 3.5.1 比列公平(Proportional Fairness,PF)演算法 比例公平對於非即時流量是非常合適的一個演算法,它考慮到用戶之 前所經過的通道品質與吞吐量,以平衡系統吞吐量及資源分配為目標。但 其原本是從分碼多工存取(CDMA)系統中探討非即時性流量之資源分配而 c 來,所以它並沒有保證任何服務品質。將 ri (t ) 定義為:在時間 t ,使用者 i. 利用資源塊 c 配置給使用者 i ;如果將 i (t ) 作為 PF 指標,也就是說使用者 c. i 在時間利用資源塊 c 傳送的權重值,其公式如下:. ric (t )  (t )  Ri (t ) c i. (1). 其中 Ri (t ) 定義為:到時間 t 為止,使用者 i 的平均傳輸速率。其公式為:. Ri (t  1)  [(1   )  Ri (t )]  [  ri (t )]. (2). 其中  為遺忘因子(forgetting factor), ri (t ) 為使用者 i 在時間 t 的傳輸速 率。 23.

(34) Start. Find best RB user pair. Schedule user. Remove RB. Check if any users left for scheduling?. yes. No End. 圖 3-11、比例公平演算法流程圖[1]. 24.

(35) 3.5.2 最大延遲優先(Maximum Largest Weighted Delay First, M-LWDF)演算法 最大延遲優先演算法改良了等比例公平演算法,分配資源的過程中將 流量遺失率需求、延遲限制以及佇列中最前線(Head-of-line)的封包延遲時 間一併納入計算,因此能支援不同服務品質需求的即時性訊流。但在非連 續接收模式中封包延遲的情況會更加嚴重,若只考慮最前線的封包延遲對 保證服務品質不是最佳的。將 Wi (t ) 定義為:在時間 t,使用者 i 在佇列中最 前線的封包延遲;其中 Ri (t ) 定義為: 在時間 t,使用者 i 的瞬時傳輸速率;. Ri (t ) 定義為: 在時間 t ,使用者 i 的平均傳輸速率,其公式如下:. M  arg max ai wi (t ). ai  . Ri (t ) Ri (t ). log  i. i. (3). (4). 其中  i 定義為:使用者 i 的延遲門檻值; i 表示為:使用者 i 佇列中最前線封 包延遲超過使用者 i 延遲門檻值的最大機率。. 25.

(36) 3.5.3 指數型比列公平(Exponential Proportional Fairness, EXP/PF)演算法 指數型比例公平被設計來支援適應性調變與編碼(Adaptive Modulation and Coding,AMD)和分時多工(Time Division Multiplexing,TDM)系統的多 媒體應用演算法,這說明單一使用者可以屬於即時性服務或非即時性服務。 對於每個使用者的服務類型,指數型比例公平優先考慮最大尺度量(Metric), 其公式如下:.  ai wi (t )  aW (t ) Ri (t )  exp( Ri (t ) 1  aW (t )  M  arg max   w(t ) Ri (t )  p(t ) Ri (t ). a w(t ) . 1 N RT. . iRT. w(t  1)    w(t )    w ( t  1 )   k. i  RT i  NRT. aiWi (t ). (6). (7). Wmax   max Wmax   max. (8). 將 P (t ) 定義為:在時間 t,基地台緩衝區等待的即時封包的平均數目; 和 k 定義為常數;其中 Wmax 定義為:所有使用者即時性服務中最大 HOL的 封包延遲;  max 定義為:最大延遲約束的使用者即時性服務。. 26.

(37) 第四章. 數值分析與模擬結果. 4.1 模擬環境與參數設定 此節為本篇研究模擬環境的參數設定,考慮的環境為 Single Cell With Interference 蜂巢中,只考慮下行鏈路的傳輸資源,各參數值設定如(表 2): 表 2、模擬參數表. Parameters. Values. 頻寬. 20 MHz. 資源塊個數. 50. 模擬時間. 120 s. 訊框長度. 10 ms. 子訊框長度. 1 ms. 時槽長度. 0.5ms. 細胞半徑. 1 km. 影片格式. H.264. 使用者移動速度. 3 km/hr. 初值使用者人數. 25. 使用者人數間隔. 25. 最大使用者人數. 100. 4.2 模擬結果與討論 圖 4-1 顯示出視頻串流的延遲,可以看得出 M_LWDF 和 EXP/PF 排程 演算法對於視頻串流延遲幾乎是穩定的,甚至是增加用戶數量的情況下也 是相對較低的,但 PF演算法從 25 個用戶數量開始就大幅的增加延遲時間, 27.

(38) 到 75 個用戶數量時已產生崩潰的現象,顯示出 PF排程演算法對於視頻串 流來說是較差的。如圖 4-2 看得出來視頻串流的封包遺失率遠高於網路電 話的封包遺失率,特別是 PF 排程演算法封包遺失率較為嚴重,而在用戶 數量增加的情況下封包遺失率也會相對的增加。. 圖 4-1、VIDEO 的延遲. 圖 4-2、VIDEO 的封包遺失率 28.

(39) 圖 4-3 顯示出視頻串流的吞吐量,只要用戶數量持續增加,整個排程 演算法就會下降,但看得出來 M_LWDF 和 EXP/PF 顯示出比 PF 更好的 結果,這在即時流量中屬於正常行為,雖然 EXP/PF 顯示出良好的吞吐量 ,但 M_LWDF 才是執行效果最佳的。. 圖 4-3、VIDEO 的吞吐量. 29.

(40) 圖 4-4 顯示出網路電話的延遲,M_LWDF 和 EXP/PF 排程演算法給出 最低的延遲,特別是從 25 個用戶數量開始延遲位於 10ms 上下,到了用戶 數量 100 時,延遲才上升至 40ms,顯示出對於延遲有良好的效果。而 PF 排程演算法則是在 75 個用戶數量時就產生延遲急遽上升的現象,說明 PF 排程演算法對於網路電話的延遲來說相對較差。 圖 4-5 對於網路電話的封包遺失率來說,從 75 個用戶數量開始就急遽 上升,但看得出來 M_LWDF 排程演算法有較低的封包遺失率。另一方面, EXP/PF 和 PF 具有相同的行為模式,EXP/PF 從 50 個用戶數量開始呈現指 數性的增長。. 圖 4-4、VoIP 的延遲. 30.

(41) 圖 4-5、VoIP 的封包遺失率 圖 4-6 顯示出網路電話的吞吐量,隨著用戶數量的增加,VoIP 的流量 呈指數性增長,對於所有排程演算法都是相同的。. 圖 4-6、VoIP 的吞吐量. 31.

(42) 第五章. 結論. LTE-Sim 是一個開放源碼來模擬 LTE 網絡,即 LTE-Sim。該模擬器涵 蓋的功能將允許研究人員和從業者測試改進 4G 技術蜂窩網絡,如新的物 理功能,創新的網絡協議和架構,高性能排程策略等。 LTE-Sim 已被應用於幾個比較重要的封包排程策略並對其進行評估測 試性能。未來計劃將改進模擬器實現新的特性,如混和式自動重送請求 (Hybrid Automatic Repeat request, HARQ) 、更複雜的通道和實體層的模型, 目前這幾項尚未包含在當前版本的軟體中。. 32.

(43) 參. [1]. 考. 文. 獻. Dr. Mirosław Słomiński, Dr. Sławomir Pietrzyk, “Modeling and Simulation of Scheduling Algorithms in LTE Networks, ” Bachelor of Science, Electrical. and Computer. Engineering the. Institute. of. Telecommunications Faculty of Electronics, Warsaw university of technology, Warsaw, 2012. [2]. FDD 與 TDD 技術區別 https://community.htc.com/tw/chat.php?mod=viewthread&tid=6029. [3]. 多輸入多輸出無線技術 https://zh.wikipedia.org/wiki/MIMO. [4]. F. Capozzi, G. Piro, L. A. Grieco, G. Boggia; P. Camarda, “Downlink Packet Scheduling in LTE Cellular Networks: Key Design Issues and a Survey, ” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 15, pp. 678700, 2012.. [5]. 3GPP TS 36.300, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Network architecture; Overall description; Stage 2, V11.3.0 (Release 11), November 2012.. [6]. Ying Li, Fei Yu, Shu-lei Zheng, Chun-lei Yang, “LTE System Level Simulation with Matlab,” IEEE, pp. 1-4, 2011.. [7]. Amari LTE-100 模擬器 http://www.envinex.com.tw/products_amarisoft.html. [8]. Giuseppe Piro, Luigi Alfredo Grieco, Gennaro Boggia, Francesco Capozzi, Pietro Camarda, “Simulating LTE Cellular Systems: an Open 33.

(44) Source Framework,” IEEE, vol. 60, pp. 498-513, 2010. [9]. 林裕捷, “LTE 下鏈路非連續接收機制中支援服務品質資源分配演算 法,” 碩士, 電信工程研究所, 國立交通大學, 新竹市,2013.. [10]. Mohammed Mahfoudi, Moulhime El Bekkali, Said Mazer, Mohamed El Ghazi, Abdellah Najid, “LTE network capacity analysis to avoid congestion for real time traffic, ” IEEE, pp. 1-5,2014.. [11]. 聲音與 IP 封包之轉換 http://www.cs.nccu.edu.tw/~lien/Writing/NGN/voicepacket.htm. 34.

(45) 自. 傳. (一.) 出生背景 我是傅方儒,出身於新竹,在家中排行老二。從小父母親就教導我做 人處事的道理,尤其在學業和道德倫理上,一直是我學習的典範。 (二.) 求學階段 高中三年,擔任過三屆體育股長,也參加過學校籃球隊,在這過程中, 慢慢讓我體會到團體合作,是一件非常重要的事。在這過程中,讓我了解 不管未來的路有多艱辛,我都會堅持到底、永不放棄去挑戰,因為這些都 是讓我在未來成長茁壯的養分,之後我會更努力更謙虛地去學習人際關係 和專業領域方面的知識。 大學是讀電子工程學系(晶片設計組),除了學習到電子、電路相關的 基本知識,也不時地去參加系上辦的企業參觀,讓我逐漸瞭解到台灣科技 產業的方向與脈絡,而系上的指標是注重「學以致用」,培養目前台灣所 需要的科技人才,對於畢業的學生才能快速適應科技產業的現況。 (三.) 自我評估 我是一個熱愛生命的年輕人,對於自己喜歡的事物或追求的目標,必 定全力以赴的爭取,決不會半途而廢。在未來我也會秉持現在的初衷努力 達成我想完成的目標,努力變成更好的人,為社會盡一份心力。. 35.

(46) 學 術 成 就 1. 論文發表: Chiapin Wang, Fang-Ru Fu, Meng-Yuan Tsai, “Location Recommendation and Power Adjustment for D2D Communication Underlying LTE Cellular Networks, ” IEEE, pp. 487-491, 2017. 2. 參與研究計畫: (1) 科技部 104 年度計畫(104/08/01~105/07/31)物聯網中設備與設備間通訊 之能源節省技術。 (2) 科技部 105 年度計畫(105/08/01~106/07/31)LTE 與 D2D 合作網路之服 務品質感知功率控制與資源分配。. 36.

(47)

參考文獻

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