LTE中具DRX機制與服務品質控制之頻寬配置演算法

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國立臺灣師範大學應用電子科技學系

碩士論文

指導教授：黃政吉 博士

LTE 中具 DRX 機制與服務品質控制之頻寬配置演算

法

A bandwidth allocation algorithm for QoS control with DRX

mechanisms in LTE

研究生：陳資涵 撰

中華民國一零三年一月

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LTE 中具 DRX 機制與服務品質控制之頻寬配置演算

法

學生：陳資涵 指導教授：黃政吉 博士

國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士班

摘

要

本論文提出服務品質保證的動態排程演算法針對對話性質之服務流，使用正 交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)技術為 基礎之 LTE 無線環境中，在此我們提出動態調整機制且兼具目標延遲時間追求 的下行鏈路排程演算法，在無線通訊系統如 3GPP 發展之長期演進 (Long-Term Evolution, LTE)系統中。本論文之設計動機為維持即時(Real time, RT)服務之服 務品質(Quality of Service, QoS)使用 MLWDF 及最大速率法的次佳排程法資源分 配，並以動態調整的機制，達到提升系統效能與資源分配公平性。透過模擬， 我們觀察到提出之演算法可以有效追逐目標延遲。

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A bandwidth allocation algorithm for QoS control with DRX

mechanisms in LTE

Student：Chen, Tzu-Han Advisor：Dr. Huang, Jeng-Ji

Institute of Applied Electronics Technology

National Taiwan Normal University

ABSTRACT

This paper presents QoS in real time service flow for dynamic scheduling algorithm, using orthogonal frequency division multiple access (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) technology-based on LTE wireless environment, in which we propose dynamic adjustment mechanism and the target delay time to pursue as goals in the downlink scheduling algorithm of wireless communication systems of the 3GPP Long-Term Evolution (LTE) systems.

The motivation of this paper is designed to maintain real-time (Real time, RT) service quality of services (Quality of Service, QoS) and based on MLWDF and maximum rate suboptimal resource allocation scheduling method, then using dynamic adjustment mechanism, to improve system performance and resource allocation fairness. Through simulation, we observed proposed algorithm can effectively chase the target delay.

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Keywords: LTE (Long-Term Evolution), scheduling, downlink, QoS(Quality of Service), Dynamic allocation.

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誌 謝

首先最感謝的就是指導教授黃老師，沒有老師耐心的指導還有寬

宏的包容，在研究的過程中就像是一條獨木舟在大海上漂流。老師無

論是在研究方面及做人和生活方面，總是以身作則並充滿了遠大的眼

光，並提供我各種應對的經驗和借鏡。雖然平常我總是犯了許多錯

誤，但是在老師悉心及嚴厲的要求堅持下，某些方面還是能勉勉強強

的達到老師的及格邊緣，這無疑增加了往後學生我對於日後社會或是

本身的待人處事方面的經驗和傳承。所以在此還是很感謝黃老師的耐

心指導。也謝謝本系風度翩翩的王教授，在學生求學時期，在想法上

提供了許多不同面相的見解並包容學生的許多過失。也由衷感謝曾經

教過學生溫文儒雅的嘉義大學梁教授，在學業方面總是耐心的講解並

充滿了熱忱。

在研究的過程中，非常感謝唯耕學長、文琪學姐、書樺學長、琬

真學姐、筑淵學姐、鴻賜學長們的經驗分享和傳承，不僅僅讓我在生

活生充滿了樂趣同時也在學業的傳承扮演重要的角色。

但是在研究和生活中讓我充滿了各種色彩的莫過於我的同學楊承

儒同學，如果沒有他互相討論或在生活中互相扶持，我想我大概無法

撐過這些日子。

也感謝尚宏同學、昱翔學弟、庭翰學弟、欣融學弟、鈺錞學弟、

元杰學弟、宜蒲學弟，在平常充滿了良性的互動和討論。

也謝謝爸媽給了我這個機會支持我上研究所並包容我。

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自 傳

(一.) 生長背景 在家庭環境中，由於排行老大的關係，所以在各種事務方面總是第一個嘗 試，所以雖然過程中可能不盡理想但也還是維持著樂觀進取的心態去應對， 父母也是在生活或心靈中給予支持。 (二.) 求學過程 在學業歷程中，由於自身學習傾向理解而不是背誦，又因為在求學過程中 沒有特別的好勝心，所以總是平心去面對各種不同的失敗，也累積了不少 經驗，因此對於競爭激烈的求學歷程能保持健康心態。

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學術成就

1.論文發表：

(1) Jeng-Ji Huang, Tzu-Han Chen, Wun-Ci Su, and Chin-Ming Hong,“Accurate Numerical Analysis of A Rehealing Time for Sparse Vehicular Ad Hoc Networks”,IEEE VTS APWCS 2012,August 23-24,2012

(2) Jeng-Ji Huang ; Ting-Han Kuo ; Tzu-Han Chen ; Chen-Ju Yang,“QoS control over the power saving in 3GPP LTE advanced wireless networks”,IEEEWireless and Pervasive Computing (ISWPC), 2013,20-22 Nov. 2013

2.參與研究計畫：

(1)師範大學 102 年度校內研究計畫(102/1/1-102/12/31)整合車載網路與行動 電話網路之異質網路中緊急安全訊息傳遞延遲分析

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目 錄

中文摘要………..…i 英文摘要………iii

誌 謝 ... v

自 傳 ... vi

學術成就... vii

目 錄 ... viii

圖 目 錄 ... x

表 目 錄 ... i

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究動機與背景 ... 1 1.2 研究目的 ... 3 1.3 其他相關研究 ... 4 1.4 論文架構 ... 6

第二章 LTE 相關系統概述 ... 7

2.1 LTE 相關系統簡介概述 ... 9 2.2 LTE 系統模型簡介 ... 14 2.3 LTE 系統物理層架構 ... 18 2.4 訊框格式 ... 19 2.5 資源區塊型式 ... 21 2.6 LTE 系統媒體存取控制層架構 ... 22

ix 2.7 LTE 系統中省電架構 ... 24

第三章 本論文提出之排程演算法 ... 27

3.1 研究作法之動機 ... 27 3.2 相關研究演算法 ... 31 3.3 本研究作法 ... 33

第四章 數值分析與模擬結果 ... 36

4.1 模擬環境與參數設定 ... 36 4.2 模擬環境與參數設定 ... 39

第五章 結論 ... 43

參 考 文 獻 ... 44

x

圖 目 錄

圖 2- 1、LTE-A 系統之 RELAY中繼站示意圖 ... 11

圖 2- 2、LTE-A 系統之載波聚合(CARRIER AGGREGATION)示意圖 ... 12

圖 2- 3、LTE-A 系統之增強型多天線傳輸 ADVANCED MIMO 示意圖 ... 13

圖 2- 4、LTE-A 系統之協調式多點傳輸 COMP 示意圖 ... 14 圖 2- 5、LTE 網路無線架構 ... 15 圖 2- 6、LTE 網路無線介面 LTE-UU示意圖 ... 17 圖 2- 7、LTE 系統之 FDD 訊框結構 ... 20 圖 2- 8、LTE 系統之 TDD 訊框結構 ... 21 圖 2- 9、LTE 系統下行鏈路分配資源 RB 示意圖 ... 22 圖 2- 10、LTE 系統無線介面整體協定架構 ... 24 圖 2- 11、LTE 系統之 DRX 說明 ... 27 圖 2- 12、LTE 系統之 DRX 活動周期 ... 23 圖 3- 1、排程演算法架構 ... 30 圖 3- 2、本論文提出之流程決策示意圖 ... 31 圖 3- 3、本論文提出之流程決策示意圖 ... 33 圖 4- 1、15 個使用者之排程圖 ... 39 圖 4- 2、15 個使用者之控制與未控制排程圖 ... 40 圖 4- 3、10 個使用者之控制與未控制排程圖 ... 41 圖 4- 4、20 個使用者之控制與未控制排程圖 ... 41 圖 4- 5、15 個使用者調整目標延遲時間控制與未控制排程圖 ... 42

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表 目 錄

表 2- 1、LTE 系統相關參數 ... 18 表 4- 1、模擬參數 ... 36 表 4- 2、資料流參數 ... 36 表 4- 3、DRX 參數 ... 37 表 4- 4、CQI TO MCS 參數 ... 37

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第一章 緒論

1.1 研究動機與背景

由於工業技術一日千里其中資訊科技也不斷的演進，近年個人手持行 動裝置的興起與使用者的要求更嚴苛，因此用戶對於網路服務的需求越來 越高也越來越多元，當前的無線網路裝置為滿足大眾的需求，必須支援多 樣資料流的混合傳輸，例如:視訊會議、即時多媒體服務、網路電視以及高 速移動之行動裝置網路服務。因此 3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出了長期演進計畫(Long Term Evolution，LTE)，計畫以現有 基地台架構以建構未來 3G LTE 寬頻無線存取網路，為了滿足具有高品質 寬頻服務嚴格需求的移動裝置用戶，3GPP 的 3G 標準化的規範技術可以在 各種範圍大幅解決無線傳輸效能並保證使用者端的服務品質(Quality of Service，QoS)，其中比起以前的技術優勢在於提供高傳輸速率(High Data Rate)、高度流動性(High Mobility) 及良好的抗衰落性(Fast-fading)且 覆蓋區域 (Coverage)範圍更大、降低網路建設成本等。

2 同時隨著智慧型手機越來越普及，人們對行動上網的品質要求也日趨 升高，行動通訊網路的應用已經漸漸深入目前人類的生活重心，變成不可 或缺的生活必需，可以想見的是當未來無線寬頻網路技術取代了舊有的接 取式網路存取技術後，因為其高度的可攜性和傳輸效率，LTE 系統將會大 幅度的改變人們的日常生活與工作模式，提升生活品質與效率，而LTE 系 統所使用的核心技術必定也會是下一世代行動通訊所參考應用的方向。4G 網路建構的紮根及落實是台灣行動通訊領域進步速度與幅度的重要指標， 在此觀點之下，LTE 系統將是一項重要的領先技術，不論在經濟上或生活 上，都將會佔有重要地位的一項未來科技。而在時下年輕人族群中，低頭 族的比例也越來越高，偶爾也能夠在報章上見到民眾抱怨行動裝置上的網 路不夠快等等的新聞，由此可以看出對於現在的行動裝置使用者來說，能 夠上網儼然已經是最基本的條件，建立在這樣的情形之下，使用者們對於 網路服務的品質的要求也越來越高，而大部分人的使用行動裝置上網除了 瀏覽網頁之外，也經常使用多媒體(multi-media)的軟體服務，諸如網路電 話、影音串流等等皆與網路密不可分，甚至現今大部份的手機遊戲也都支 援網路連線，在人們對於網路的依賴性如此高漲的情形下，良好的服務品 質(QoS)將是未來影響用戶對於行動裝置上的網路使用情形的一項重要的 評價依據。

3 1.2 研究目的 由於手持裝置盛行，建構商因為商業導向加速了無線通訊的技術發展， 不僅僅是硬體架構，也包含多種應用程式及資料傳輸的發展，尤以生活娛 樂息息相關的影音多媒體發展，為應用商所著重的重點項目，內容為對於 傳輸具有高服務品質之多媒體資料要求，如商業行為中的視訊會議(Video Conference) 、網路電話(Voice over IP，VoIP)或生活娛樂中的串流影 音(Streaming Video)等。此種多媒體技術可以運用在商業上視訊點播、教 學中遠程教學、醫療建設中遠程醫療、電子化辦公或電玩競技等，因為此 類資料屬於即時服務應用，對於時間性延遲關係重大，所以服務品質之要 求嚴謹，具有非常嚴格的時效性需求，因此在開發商中，為了達到上述要 求，基於廣大的使用者資源需求中，稀少的無線資源如何有效管理和分配 就成為許多研究人員的重要議題。 本論文欲達成之目的如下： 1. 能夠依據使用者的 QoS 情形來動態的分配資源給使用者。 2. 能夠動態的控制通道的分配情形。 3. 確保整體系統的服務品質都在可忍受的控制範圍之內。 4. 兼顧使用者間資源分配的公平性。 5. 除了能夠達到上述的目標之外同時也能夠替使用者做節省電量的 動作。

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1.3 其他相關研究

長期演進(Long Term Evolution，LTE)網路在近年增加了支援無線多媒

體服務，使得聲音／影像串流(Audio/Video Streaming)、網路電視(I Internet Protocol Television ， IPTV) 、 和 視 訊 會 議 (Video Conferencing)、高解析度電視(High Definition Television，HDTV)的需 求逐漸增加，這樣的情形凸顯了除了通道情形之外，在資源有限的情形下 如何有效的分配與運用資源儼然成了一門重要的議題，有效運用資源之餘， 確保整個系統的服務品質同時也是需要被投以高度關注的。 在文獻[1]中，提出根據每個使用者對於每個資源塊會有不同的傳輸速 度，因此讓每個資源塊都分配給能支持最大速率的使用者，同時還考慮了 調變（MCS）對於速率的影響，在分配給最大速率的前提下，選擇對於使用 者最合適的MCS，讓整體的吞吐量可以達到最大，並且使用一個整數線性規 劃的方式求得最佳解，由於整數線性最佳化複雜度的問題，在此篇中也提 出了一個次佳的作法，將整個過程分成兩個階段來動作，第一階段個使用 者先分配各自的資源塊，第二階段再決定MCS以達到最大的總吞吐量，這個 次佳的方法能有效的降低複雜度，同時也能使的最後想達到最大吞吐量的 要求逼近於最佳的做法，此做法雖然能夠最大化系統的吞吐量，但是完全 沒有顧慮到使用者間的公平性與個字對於QoS的需求，在服務上述第一段 所提到的即時性服務時，假若是勇者的通道狀況不佳的話，則不容易被分 配到資源，在這樣的情形下，則很容易造成delay或是packet loss的狀況 出現。

5 在文獻[2]中，作者則提出了一個比例公平性演算法，比例公平算法 進行調度時同時考慮了用戶的通道條件和過去一段時間獲得的吞吐量。 PF 算法的主要優點是綜合考慮了用戶的通道條件與用戶間的服務， 能 夠在系統吞吐量和公平性之間取得一定的折中，這是目前採用較多的一 種算法，也是在諸多排程演算法中，能夠兼顧一定量的吞吐量與使用者 間的公平性的方法中最具代表性的一種。但是此演法僅考慮了使用者過 往的傳輸量而忽略了使用者本身的服務類型是有可能對delay的敏感度是 相當高的進而沒有辦法確保系統的服務品質又能夠兼顧到省電。 綜觀上述幾種排程方法，沒有一種能夠兼顧使用者的服務品質與公平 性同時又能夠動態的控制資源的使用量，本論文提出的方法將會橫跨兩 層LTE系統來執行跨層的資源分配最佳化，除了能夠顧及使用者間的公平 性之外，同時也能滿足整體系統的服務品質並對通道的分配情形做動態 的控制，除此之外，也能夠在使用者不需要進行傳輸的動作時替他們進 行省電的動作。

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1.4 論文架構

本論文組織如下：第一章為緒論介紹，第二章說明 LTE 長期演進技術無線 網路系統與其省電機制的相關知識，第三章詳細說明我們所提出之跨層控 制服務品質之排程演算法，第四章說明數值分析與模擬結果，第五章則為 本論文的結論。

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第二章 LTE 相關系統概述

1980年Bell公司發展出第一代(1st

-Generation，1G)類比蜂巢式電話 系統。接著演進至以第二代(2nd-Generation，2G)行動電話系統Global System for Mobile Communications(GSM)，其對語音使用數位化方式傳 輸具有語音功能，也導入簡訊功能；雖然具備資料傳輸，但是速度緩 慢。整合數位強化網路(2.5G)為2G過渡至3G的過渡期技術規格，值得一 提的是採用整體封包無線電服務技術(General Packet Radio Service， GPRS)。2.75G是比2.5G更接近3G的移動通訊標準，其分別提出增強資料 GSM演進技術(Enhanced Data rates for GSM Evolution，EDGE)和 CDMA2000 1xRTT，使得行動通訊上傳送數據更接近3G。

第三代行動通訊技術(3rd-Generation，3G) 即為是由國際電信聯盟 （International Telecommunication Union，ITU）制定出IMT-2000 （International Mobile Telecommunications-2000）規格，描述以高 速資料傳輸的蜂窩移動通訊技術，平均速率約莫在幾百kbps以上。3G服 務能同時支援傳送聲音（通話）及資訊（電子郵件、即時通訊等）。目 前3G有四種標準：WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA，WiMAX。在第三代行動 通訊夥伴計畫組織(third generation partnership project，3GPP)以 優化WCDMA標準，於2004年開始發展長期演進技術(Long-Term Evolution Advance，LTE)，在2008年進而產生出新的技術突破舊有LTE技術，我們 稱為LTE-Advanced(LTE-A)，為廣為人知的4G。

8

第四代行動電話行動通訊標準(4th-Generation，4G)，從技術標準 面相，只要達到靜態傳輸速率1Gbps，並且在高速移動狀態下可達到 100Mbps，根據ITU的標準，就足可稱做4G的技術。而LTE-A因此正式被定 義為4G，以下我們將先簡介LTE-A系統。

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2.1 LTE 相關系統簡介概述

無線技術網路快速的發展分為WiMAX另一技術則為LTE；其中WiMAX提 出全新的無線上網通訊技術，在微波和毫米波頻段。但是考慮市場的廣 泛程度還有發展前景，LTE成為目前主流技術。 雖然LTE已經在世界各地推行了一段時間，但目前LTE版本並未符合 4G的規範，不僅因為速度不夠快，且無線電發送的技術和架構中，仍存 在著一些問題，因此催生了Long-Term Evolution Advance (LTE-A)，版 本代號為Release 10及Release 11。在行動端實際測試LTE-A頻寬為靜止 或慢速移動狀態，可使用的最大頻寬為100MHz，其下行鏈路傳輸速率最 高可達約1Gb/s，而上行鏈路傳輸速率也可達約500Mb/s。

LTE-A稱作LTE Release 10， LTE Rel-10。LTE-A系統是由第三代夥 伴計畫(3rd Generation Partnership Project，3GPP)於2009年開始制 定之系統規格， 2010年 底 制 訂 出 Release 10規 範 。 目 前 LTE規 格 是 IMT/3GPP的 Release 8與 Release 9， 而 LTE-A是 採 用 Release 10 與 未 來 Release 11的 技 術 等 級 。

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而在3GPP LTE-A中， 比起LTE，則延伸出不少功能， 諸如載波聚合 技術(Carrier Aggregation)、多點協作(Coordinated Multipoint)技 術、中繼站(Relay)的設置與增強型多天線傳輸(Advanced MIMO)等等。 以下為各種功能介紹： 中繼站(Relay)：指偏遠或需要強化傳輸速率之地點設立射頻放大 功能的無線中繼站，因而不需更多經費設立完整功能的基地台 (eNB)；中繼站也保留回程連接控制能力，其使用的射頻電波使用 的是頻內(In-band)或頻外(Out-band)設計，此特質適合於多種不 同覆蓋範圍設置，諸如巨型基地台(Macro-cell)、微基地台 (Microcell)、及建築物內(Pico-cell)更至於個人使用的微微型 基地台(Femto-cell)等，所組成的異質性通訊網路設置。圖 2-1 為示意圖。 圖 2-1 中繼站

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1. 載波聚合(Carrier Aggregation，CA)： LTE-A 從 400MHz 到 4GHz 頻譜帶寬，其使用多個 20MHz 帶寬的載波聚合；僅 用 約 5 0 M H z

的 頻 譜 帶 寬。即以現行 LTE 載波為基礎，集合多個載波形成更

大頻寬之載波，達到滿足未來更高頻寬之需求，並可向下相容 LTE Release 8 版本。圖 2-2 為示意圖。

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2. 增強型多天線傳輸(Advanced MIMO)：為提高頻譜使用效率，LTE-A 解決方案以提升 MIMO 天線數為方案。在 LTE Release 8 版本中 制訂下行鏈路 4×4 及上行鏈路 1×2 之多天線傳輸模式，而之後 LTE-A 制訂了 8×8 M I M O D L ( 8 個 下 載 通 道 )、4x4 MIMO UL(4 個 上 傳 通 道 )的 能 力 之多天線傳輸模式，其中下 載 ／ 上 傳 速 率 更 可 達 到 1Gbps、 500Mbps； 換言之，下行提升兩倍頻譜使 用效率而上行更提升四倍的頻譜使用效率，如圖 2-3 所示。

UE

eNB

Max 4 antennas

Max 8 antennas

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3. 協調式多點傳輸(Coordinated multi point transmission and reception，CoMP)：其具 備 Joint Transmission/ Dynamic Cell Selection( 加 入 並 聯 合 傳 輸 ／ 基 地 台 動 態 選 擇 )機 制 ， 可 由 相 鄰 兩 個 基 地 台 對 單 一 連 線 終 端 產 生 並 聯 傳 輸 ， 及 多 個 連 線 終 端 上 線 時 的 基 地 台 之 動 態 切 換 ， 單 一 連 線 終 端 也 可 跟 多 個 基 地 台 產 生 並 聯 連 線 上 傳 ， 以 期 平 衡 行 動 基 地 台 的 負 載 ， 進 而 達 到 降 低 信 噪 比 之 效 用 。 也 就 是 說 ， 用戶不僅僅可以再本身註冊之基地台傳輸資料外，也可 與相鄰的基地台進行資料傳輸，如圖2-4所示。 圖2-4 協調式多點傳輸

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2.2 LTE 系統模型簡介

此標準由第三代合作夥伴計劃（3GPP）於 2008 年制訂出 Release 8 版本，更因改進而提出 Release 9 版本。LTE 是演進至 4G 前的過度版 本，也俗稱為 3.9G。該標準結合舊有的 GSM/EDGE 和 UMTS/HSPA 網路技 術，並應用調變技術而達到提升網路容量及速度之效果。 圖 2-5 LTE 網路架構[12]

如圖 2-5，LTE 網路架構細分為無線部分 E-UTRAN(Evolved

Universal Terrestrial Radio Access Network)與核心網路部分 EPC (Evolved Packet Core)。無線架構介面由用戶設備（User Equipment， UE）與基地台(Evolved Node B，eNodeB)之間的通訊組成，而核心網路 結合全 IP 網路之協定與多重網路存取架構，並過濾出用戶層面(User Plane)與控制層面(Control Plane)，由不同元件管理。

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在訊息傳輸方面區分出 Control-Plane 與 User-Plane，進而分類成 網路控制封包及用戶實際傳輸的資料封包；Control-Plane 傳輸路徑為介 於用戶設備（User Equipment，UE）、基地台(Evolved Node B，

eNodeB，eNB)和移動性管理組件（Mobility Management Entity， MME），而 User-Plane 傳輸路徑則介於 UEeNB、服務閘道(Serving

Gateway，S-GW)和封包資料網路閘道(Packet Data Network Gateway， PDN-GW)之間；以上為實證有效的管理系統，也可針對個別的設計與改良 而產生不同的設計方針。

在無線部分架構中包含用戶設備（UE）、基地台(eNB)，UE 透過無線 介面 LTE-Uu 與 eNB 通訊。其中 LTE-Uu 共分為三層，Layer 3: Non-Access Stratum (NAS)功能為移動性管理組件(MME)、傳輸承載

(Bearers)設定、封包資料網路閘道(PDN-GW)。Radio Resource Control (RRC)管理無線資源與 RRC 下各層設定。Layer 2: Packet Data

Convergence Protocol (PDCP)則處理標頭壓縮及加密動作。Radio Link Control (RLC)包含了 ARQ、HARQ 重傳機制及為了配合下層 MAC 的 frame 大小進行封包的分割與重組。Medium Access Control (MAC)則進行 QoS 排程動作。Layer 1: Physical (PHY)則將資料轉為實體訊號發送，使用 技術諸如 OFDMA、MIMO 等。圖 2-6 為無線介面 LTE-Uu 示意圖。

16 圖 2-6 無線介面 LTE-Uu[12] 其中在 LTE 系統中值得一提的是 eNodeB。其非常重要之任務是用戶 排程，在 eNodeB 裡的排程器(scheduler)會將可用的資源塊(Resource Block，RB)固定編號以方便管理及排程。在目前 LTE-A 系統中，訊號處 理方面捨棄了舊有數據資料和語音資料分別傳送至封包交換領域

(Packet-Switched Domain，PS domain)及線路交換領域(Circuit-Switched Domain，CS domain)，進而整合成一個全 IP 網路(all-IP Network)，無論語音資料和數據資料，完全以資料封包(packet)為傳送 單位，以上機制不但可將網路利用率(efficiency)提高，而且可使系統 架構更簡單。然而在全 IP 網路(all-IP Network)中維持 VoIP(Voice over Internet Protocol，網路電話)的服務品質(Quality of

service，QoS)是非常不容易達成的目標，因為受限於即時服務之用戶的 延遲時間(delay)和封包遺失(loss)，而且 IP 網路因為封包交換的特 性，所以造成封包延遲過長 (Long Delay)、傳送時間抖動 (Jitter)以 及封包遺失 (Packet Loss)等問題，是大家致力突破的議題。

17 EPC 做為 LTE 核心網路部份，目的為降低核心網路複雜度，因此設計 成一個全 IP 網路協定的多重存取核心網路，營運商可以在單一共同封包 核心網路進行建置與運作多重存取網路，如 3GPP 無線存取網路(2G、 3G、LTE、LTE-A)、無線存取網路(WLAN、WiMAX)及有線存取網路 (Ethernet、DSL、Cable、Fiber)，希望達到增加系統相容性、擴大覆蓋 範圍及降低營運成本，同時也可增加用戶傳輸速率、減少延遲。EPC 主要 架構為三個項目：移動性管理組件（Mobility Management Entity， MME）、服務閘道(Serving Gateway，S-GW)與封包資料網路閘道(Packet Data Network Gateway，PDN-GW)。

MME 即網路管理者，管理從控制層面來的訊息，也處理閒置模式 (Idle Mode)時的移動管理、演進數據封包系統(Evolved Packet System，EPS)的傳輸承載(Bearer)管理、非存取層(Non-access Stratum，NAS)之安全管理等功能。 服務閘道(S-GW)處理核心網路中之資料傳輸，並處理用戶層面訊息， 其功能為負責路由並傳達用戶的封包資料，處理基地台(eNodeB)之間的 換手服務。 封包資料網路閘道(PDN-GW)聯結核心網路與外部網路，是 LTE 網路處 理其他非 3GPP 網路資料傳送與訊息控制的閘道器。封包資料網路閘道 (PDN-GW)提供手機和外界封包資料網路連線，且支援計算費用。

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2.3 LTE 系統物理層架構

在3GPP Physical Layer Standard報告中，LTE在物理層(Physical Layer， PHY Layer)設計新的資源傳輸模型用來增加3G系統架構，其系 統設計可變性上行和下行傳輸頻寬範圍為1.4-20 MHz，如下表2- 1所 示。 表 2- 1 LTE 系統相關參數[17] Channel bandwidth BWchannel [MHz] Transmission bandwidth configuration NRB Transmission bandwidth configuration BWconfig [MHz] 1.4 6 1.08 3 15 2.7 5 25 4.5 10 50 9 15 75 13.5 20 100 18.0 LTE下行鏈路中採用正交分頻多工技術(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，OFDMA)，而上行鏈路則採用單載波分頻多 工技術(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FMDA)，其分工模式為全雙工分頻多工模式(FDD)、半雙工分頻多工模式 (half-duplex FDD)及全雙工分時多工模式(TDD)。調變方式有支援四位 元相位偏移調變 (Quadrature phase-shift keying，QPSK)、

19 Amplitude Modulation)，也有其他服務技術如支援混合式自動重送請求 (HARQ)、省電模式以及鏈路適應調整機制(Link adaptation)。

2.4 訊框格式

LTE 系統在分工模式可分為分頻多工(Frequency-Division Duplexing，FDD)與分時多工(Time-Division Duplexing，TDD)。 FDD 模式可為全雙工與半雙工，一個完整的訊框(Frame)長度為 10 ms，包含 10 個子訊框(Subframe)，每一個子訊框中由兩個時槽(Time slot)所組成，每個時槽長度為 0.5 ms，根據前置循環字首(Cyclic prefix)的不同，即把符元的後端資料複製一分至前端來，可避免前一個 符元因多路徑延遲抵達所導致訊號干擾；在使用一般前置循環字首 (Normal CP)時，其資源區塊在時間的長度為 7 個符元(Symbol)；而使用 延伸循環字首(Extended CP)時，資源區塊在時間的長度為 6 個符元。如 圖 2-7 所示。

Slot #0 Slot #1 Slot #3 Slot #19 Slot #20

One radio frame, Tframe = 10 ms

One subframe

One slot, Tslot = 0.5 ms

Slot #2

· · · · ·

CP Symbol #0

· · ·

CP Symbol #6 Normal Cyclic Prefix

CP Symbol #0

· · ·

CP Symbol #5 _{Extend Cyclic Prefix}

20

LTE 系統之 TDD 訊框結構中，一個訊框長度為 10ms，由兩個子訊框所 組成，其中各包含了 10 個時槽，亦即一個訊框共有 20 個時槽，每個時 槽為 0.5ms。圖中為特別子訊框(Special subframe)，其中包含三個部份 分別為各為 Downlink pilot time slot (DwPTS)、Guard period (GP) 與 Uplink pilot time-slot (UpPTS)。如圖 2- 8 所示。

 Downlink pilot time-slot (DwPTS)：擺放 Downlink 信號。  Uplink pilot time-slot (UpPTS)：擺放 Uplink 信號，例如 SRS

信號。

 Guard period (GP)：使 DwPTS 與 UpPTS 有轉換時間。

Subframe #0

One radio frame, Tframe = 10 ms

···

Tsubframe = 1 ms Subframe #7 (special subframe #1) DwPTS GP UpPTS (special subframe #6)

···

Subframe #9 圖 2- 8 LTE 系統之 TDD 訊框結構[17]

21

2.5 資源區塊型式

在LTE系統中，定義資源分配以RB (Resource Block)當作基本的傳輸 單位，在RB中包含了頻率(Frequency)和時間(Time)的集合；其中頻率使 用12個子載波，時間則定義一個時槽為符元(Symbol)，如圖2- 9。 12 su bc ar rie rs Resource Block:

7 symbols X 12 subcarriers (short CP), or; 6 symbols X 12 subcarriers (long CP)

Control Channel Region

Downlink slot

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2.6 LTE 系統媒體存取控制層架構

在LTE系統中，因為要提高系統使用彈性及資源使用效率，所以設計 了動態排程機制，即藉由將不同服務對應到不同資料流，以提供足夠的 服務品質給不同類型的應用服務。由於QoS機制和LTE通訊協定中的第二 層(Layer 2)，亦即與資料傳輸層密切相關。 根據3GPP 標準，子層間的傳遞以通道(Channel)的方式進行對應 (Mapping)為主。第二層主要包含封包資料匯聚通訊協定(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)、無線鏈路控制(Radio Link Control， RLC)、媒體存取控制(Medium Access Control，MAC)以上三個子層 (Sublayer)，如圖2- 10所示。

◆ RLC：連結上下層互動進行資料單元收發的角色。在資料的傳送方 面，RLC層接收上層給予的服務資料單元(Service Data Unit，SDU)，暫 存於緩衝區(Buffer)，直到接獲得來自MAC子層的指示後，組成對應的協 定資料單元(Protocol Data Unit，PDU)，再將此PDU傳送至MAC層進行下 一步的處理。在資料的接收方面，RLC層接受由MAC層所傳遞上來的PDU， 暫存於緩衝區，將成功組成的SDU傳送給上層。 ◆ MAC：負責排程(Scheduling)、多工(Multiplexing)等任務。 ◆ PDCP：只存在於用戶層面，支援資料封包的標頭(Header)壓縮與解壓 縮以獲得更高的頻譜效益、資料加密/解密、資料完整性的保護。自 上層無線承載(Radio Bearer，RB)取得資料後，會將資料傳送到RLC 子層與MAC子層，再由MAC子層進入透過實體層(Physical Layer)進行 無線傳輸。

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2.7 LTE 系統中省電架構

對於突飛猛進的網路技術，使用端的的電路益加複雜，表示因此消 耗了更多電力。LTE 取用了非連續接收模式(Discontinuous Reception， DRX)省電技術進而有效管理使用者端電源，於使用者無使用網路服務 時，無線設備可以依據資料傳輸狀態，控管射頻(RF)模組，減少電力消 耗達到延長使用時間，增加使用效率。

根據無線電資源控制(Radio Resource Control，RRC)，睡眠狀態 分成兩種模式，其一為短睡眠狀態(Short DRX cycle)，其二為長睡眠狀 態(Long DRX cycle)。其中的差異為睡眠的時間長短，而造成省電的差 異程度，短睡眠狀態省電程度較低，長睡眠狀態則較高。 LTE系統中的省電架構中，為了達成省電目的協定了DRX架構，用戶 會於一段時間內在沒有接收到封包到來後，啟動DRX機制，進而允許用戶 進入睡眠狀態(DRX cycles)；相較於前，在用戶運作的狀態，稱為活動 狀態(Activity period)。以下我們會繼續做詳盡介紹： 睡眠狀態(DRX cycle)：用戶週期性休眠，由期間(On duration)、 短睡眠狀態(Short DRX cycle)和長睡眠狀態(Long DRX cycle)所組成。

活動狀態(Activity period)：用戶週期性清醒，在RNC開始傳送一 個完整封包到結束，直到RNC沒有在活動狀態或是睡眠狀態傳送封包的區 間，稱為活動狀態。

25 不活動計時器(Inactivity Timer)：在RNC傳送緩衝變空之時，用 戶立即開啟Inactivity Timer，稱之。也就是在活動狀態結束後，無封 包進入，則進入不活動計時器。只要Inactivity Timer倒數期間內有封 包進來，封包則能立刻得到處理；反之如果倒數期間無封包進入，當倒 數完成後，則進入期間(On duration)。 期間(On duration)：由於不活動計時器內，無封包進入，因此進 入期間。在起始睡眠狀態中，短暫的開啟接收器接收訊息，如果有封包 進入則收到正向訊息，進入活動狀態；相反的，如果沒有封包進入則得 到負向訊息，回到睡眠狀態。 短睡眠狀態(Short DRX cycle)：用戶未接收到封包進而關閉射頻 模組達到省電的效果；如果接收新的封包，則必須等到此段時間結束後 才能接收此封包。短睡眠狀態相較於長睡眠狀態，擁有更快的反應時間 來判斷是否要離開睡眠狀態，進入活動狀態，達到減少延遲時間過大的 問題。 長睡眠狀態(Long DRX cycle)：再進入數個短睡眠狀態後，則進入 長睡眠狀態。如果接收新的封包，則必須等到本段較長的時間結束後才 能接收此封包。長睡眠狀態相較於短睡眠狀態，擁有較慢的反應時間判 斷是否要離開睡眠狀態，進入活動狀態。其中常睡眠狀態的省電效果較 好，但是延遲時間過大是個問題。 由於並沒有明確定義DRX的各種參數，因此在營運商中，如何取捨 各種參數，是值得且實際的問題，因為會對用戶造成各種使用上的感覺

26 差異。但在研究中，由於參數的開放性，使得大多數的研究著重於數學 或狀態的議題。 以下為省電架構的說明圖。 圖2- 11、LTE系統之DRX說明[15] 圖2- 12、LTE系統之DRX活動週期[15]

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第三章 本論文提出之排程演算法

3.1 研究作法之動機

在 LTE 系統規範之外，LTE 系統把排程演算法交由營運商自行運作。 LTE 下行排程演算法是由 LTE 基地台(eNodeB)中之排程器(Scheduler)執 行排程調度，其排程流程圖如圖 3-1 所示。服務資料流封包陸續抵達基 地台，排程器再根據其內部之排程演算法，將各用戶之封包根據演算法 則先後排序傳送。 本論文之研究動機為在 LTE 下行鏈路中，加強系統資源使用效用公平 性，維持 RT 用戶之服務品質，並藉由滿足即時服務使用者的服務品質 下，如何維持控制資源，並將其他節省下來的資源做為更有效的利用。 並期以配合 M/G/1 服務模型並輔以分析法，達到模擬真實的排程效果， 且能得知最佳的封包到來隨機分佈。 根據 ITU 規範，RT 即時會議對延遲要求需有固定傳輸量，所以排程 器需要提供固定的位元速率(Constant Bit Rate，CBR)，才能滿足要 求，其 ITU-t G.711 固定頻寬為 64kbps脈碼調製(Pulse Code

Modulation，PCM)。在傳送音訊的過程，會導致整體傳輸的延遲。因此 在網路狀況不佳的情況下，封包平均延遲在 300 ms～400 ms 間，此情況 下已可讓使用者感覺不佳的音質。超出 400 ms 則為無法忍受的情況，因 此根據 ITU 對 VoIP 的規範中，表定延遲時間為 150 ms 以內。由於每個 頁(frame)的音訊長度為 30 ms 因此在此範圍內，使用者感覺並無異狀。

28 本論文中，考量用戶都能節省能源下，因此以 DRX 省電機制為前提 下，當 VoIP 資料流有更多寬鬆時間可以傳送時，會因為不緊急，而先讓 快到達延遲範圍的使用者先傳送，因此在維持服務品質的同時也能兼顧 公平性。並可以節省系統資源與用戶能源，做更多有效的資源分配，提 升系統使用效率。

29 圖3-1 排程架構 如圖3-1所示排程架構圖所示，本論文以兩層架構下執行不同的排 程，基於LTE下行鏈路，且每個使用者都具備省電機制(DRX)。第一階段 於MLWDF的排程並採用最大速率排程法的次佳法產生排程優先順序，能顧 慮到延遲的服務品質也不致於減少系統使用率；第二階段為滿足目標延 時(Target Delay)之調整，因此設置了Ψ(Psi)資源動態調整機制，考量 到某些用戶會在傳輸時會因為延遲時間太慢導致資源塊沒有效率的使用 或是延遲時間太快以至於太多資源塊加入傳輸，因此在本排程法會動態 開放或收回Ψ機制以控制資源塊，其中每個資源塊有自己的開放機率， 來達到穩定的控制延遲時間的效果及資源使用更有效率的目標。

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3.2 相關研究演算法

在此處我們展現對於即時服務的Modified Large Weighted Delay First (M-LWDF)排程法。 𝐼(𝑡) = 𝑎𝑟𝑔 max 𝑘∈𝐾(𝐶𝑘(𝑡) × 𝐷𝑘(𝑡)) 其中 I：在時間t中，排程所選取使用者的結果。 t：在第ｔ時間中。 k：第k個使用者，屬於所有使用者K中。 C：在第t個時間，第k個使用者被選中，所使用的通道容量。 D：在第t個時間，延遲時間。 以上為MLWDF之即時服務調整，MLWDF是針對延遲時間而設計的WiMAX 排程演算法，因此本篇所展現的是適用於LTE的排程演算法。 接下來我們繼續展示最大速率演算法中的次佳演算法，其特點是複雜 度相對於最大速率法低，而在使用者越多的情況下能越接近最大速率演算 法的資源分配。

32 max 𝑏𝑖 ∑ ∑ 𝑏𝑖,𝑗𝑟𝑗 𝑞𝑖,𝑚𝑎𝑥(𝑥𝑖,𝑛) 𝑗=1 𝑛∈𝑁𝑖 其中 𝑗：MCS。 𝑖：使用者i。 𝑁_𝑖：使用者i所回報的CQI值。 𝑟𝑗：一個排程塊(Scheduling Block，SB)所對應到的位元速率(bit rate) 。 𝑞𝑖,𝑚𝑎𝑥(𝑥𝑖,𝑛)：可支援使用者i之最大的MCS。 𝑥_𝑖,𝑛：使用者i回報通道品質的向量。 上述式子，可以確保使用者i能得到一個最大速率介於1和𝑄𝑚𝑎𝑥(i)中。 𝑏𝑖 = [𝑏𝑖,1, 𝑏𝑖,2, . . . , 𝑏𝑖,𝑞𝑚𝑎𝑥 ] 𝑏_𝑖,𝑗 ∈ {0,1} ∀ i, j 其中 𝑏_𝑖：MCS向量。 ∑ 𝑏_𝑖,𝑗 𝑄𝑚𝑎𝑥′ (i) 𝑗=1 = 1 𝑏_𝑖,𝑗 ∈ {0,1} ∀ i, j 𝑏_𝑖 = [𝑏_𝑖,1, 𝑏_𝑖,2, . . . , 𝑏_{𝑖,𝑞𝑚𝑎𝑥} ] 𝑄_𝑚𝑎𝑥′ _{(i) = 𝑚𝑎𝑥} 𝑛∈𝑁𝑖{𝑞𝑖,𝑞𝑚𝑎𝑥(𝑥𝑖,𝑛)} 其中 𝑄_𝑚𝑎𝑥′ (i)：為使用者i所對應到所有SB中的最大MCS。

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3.3 本研究作法

本篇提出保證即時服務品質之動態調整通道整合式演算法，藉由最大 法中的次佳演算法及MLWDF，達到第一階段的使用者選擇

34 如流程圖所示： 第一階段為爭取優先權： 𝑅_𝑖(𝑛) = {𝐼_𝑖|𝐼_𝑖 ∈ κ 𝑖} 𝑅𝑏(𝑖) ：第i輪總共分配到的資源塊數目。 𝐼𝑖 = 𝑎𝑟𝑔 max 𝑢∈𝑈(𝐶𝑖,𝑢× 𝐷𝑖−1,𝑢) 其中 I：為排程所選取使用者的結果。 i：第i輪的排程。 u：使用者。 C：所使用的調變。 D：延遲時間。 𝑅_𝑖(𝑛)：第n個資源塊所配置到的使用者。 κ 𝑖：第i輪所有使用者集合。 我們把每塊資源塊配置給擁有優先權最高的使用者，其根據有最大 的通道速率還有最大的延遲時間，因為有考慮到省電功能(DRX)而加入了 整體的延遲時間設計，以下為每輪延遲時間的設定。 𝐷𝑖 = { 0, 第i輪中，進入DRX或沒有封包到來 Di, 第i輪中，有封包到來的延遲時間 𝐷_𝑖+1={0, 第i輪中，已被處理過的使用者 D_i+ 1, 第i輪中，有封包到來卻沒傳

35 第二階段以資源塊的控制為主： min Ψ,𝐷 Ψ Such that 𝐷_𝑎𝑣𝑔 ≤ 𝐷_𝑡 以目標延遲時間為考量，每一輪都以目標延遲為目標，去追逐最節省 的資源使用量 𝑅𝑏(𝑖 + 1) = {𝐷_𝐷𝑎𝑣𝑔(𝑖) > 𝐷𝑡(𝑖), 𝑅𝑏(𝑖 + 1) = 𝑅𝑏(𝑖) + 𝑢 𝑎𝑣𝑔(𝑖) < 𝐷𝑡(𝑖), 𝑅𝑏(𝑖 + 1) = 𝑅𝑏(𝑖) − 𝑙 𝑅𝑏(𝑖) ：第i輪排程中，所用的資源塊數量。 𝐷𝑎𝑣𝑔(𝑖)：第i輪排程中，平均延遲時間。 𝐷_𝑡(𝑖)：第i輪排程中，目標延遲時間。 𝑢：預設增加資源塊數量。 𝑙：預設減少資源塊數量。 在此又加入了動態調整，如果大於目標延遲訂定為增加資源塊，但是 如果小於目標延遲，就減少資源塊，期望能控制在目標延遲附近，並節省 最大資源。

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第四章 數值分析與模擬結果

4.1 模擬環境與參數設定

本章節期以建立 LTE 無線系統之模擬環境來展示提出的排程演算 法。其中主要模擬配置參數如表 4-1 展示，LTE 是使用 OFEMA(正交分頻多 工存取技術)。資料流可分成即時服務(Real Time，RT)與非即時服務 (Non-Real Time，NRT)兩種，以區別急迫性的用戶，在此以表 4-2 所示。 本論文以即時服務中的即時會話類型服務(Voice over IP，VoIP)為主，

因為具有固定週期性與固定封包大小特性。 表 4－1、模擬參數 Parameters Value System OFDMA Subcarriers per RB 12 Subcarriers Spacing (KHz) 15 Modulation QPSK，16QAM，64QAM Voice Codec G.711 Bitrate(Kbit/s) 64

Packet Size (bytes) 162 Encoder frame length (ms) 20

Number of RB 10~20

User 15

Channel Quality Random

Transmission Time Interval (ms) 1 Packet Arrival Distribution Poisson

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表 4－2、資料流參數

Service Packet Delay Budget Conversational Video (ms) 150 表 4-3、DRX 參數 DRX Parameter Value Inactivity Timer (ms) 8 On-duration Timer (ms) 1 Short DRX Cycle (ms) 8 Long DRX Cycle (ms) 16 Packet Arrival Rate (ms) 20

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其中以 3GPP Standard 規範 ITU-T G.711 中，RT-會話類型對時間且 須符合單位時間內，傳輸資料量固定，即為固定傳輸資料量之要求，因 此排程需滿足固定位元速率(constant bit rate，CBR)之要求，在 ITU-T G.711 規定之固定頻寬為 64 kbps Pules Code Modulation (PCM) ，表 4 －2，表 4－2，表 4－3 和表 4－4 為各種訂定的參數。

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4.2 模擬環境與參數設定

本排程法期以設置目標延遲(Target Delay)，輔以動態開放機制，使 得平均延遲能在長遠之時達到接近目標延遲的效果，圖 4-1 為模擬圖。 圖 4-1 15 個使用者模擬圖 在圖 4-1 模擬中我們發現延遲可以由我們提出的排程法達到目標延 遲的控制，但是為了瞭解不受控制的機制接下來將展示沒有控制機制的實 驗。

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圖4-2 15個使用者模擬圖

圖4-2模擬中，與圖4-1不同的是在此我們增加了無開放控制機制的實 驗也就是原本的MLWDF法，在此我們展現了15個使用者的結果，並與我們 提出具有控制Psi機制的結果比較。

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圖4-3 10個使用者模擬圖

圖4-4 20個使用者模擬圖

為了瞭解使用者的多寡對於目標延遲時間的關係，圖4-3及圖4-4展 現了由10個使用者和20個使用者所展現的情境。其中展現了延遲時間的

42 差異，起因於使用者人數多寡而產生的延遲大小。大體上都成類似的方 向，本論文所提出的控制機制也能有效的產生。 圖4-5 15個使用者改變目標延遲模擬圖 接下來我們探討改變目標延遲時間，對於我們的控制機制能達到何 種效果。由於目標延遲時間是我們經由查證所訂定的時間，因此在圖4-5 中我們改為較寬鬆的目標延遲時間，藉此發現本論文所提出的做法皆能 有效的達成目標延遲時間。

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第五章 結論

由於即時服務的重要性，迫使許多研究著重在此議題中，藉以達成更 好的即時服務，使得各種排程更精進。因此在本論文中，我們特別針對即 時服務類型用戶，因為其特別的時間延遲特性，思考並研究提升系統資源 使用率，其中不僅能達到目標延遲的設定而且還能節省資源。 在 未 來 研 究 中 ， 冀 望 能 把 節 省 下 來 的 資 源 用 於 允 入 控 制 (Call Addimision Control，CAC)中，或是分配給非即時使用者，並在希望能結 合DRX分析，讓更多研究者能得到真實的封包到來排程情況。

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