於LTE 上行鏈路之佇列感知與多樣化資料型態的資源分配研究
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(2) 於 LTE 上行鏈路之佇列感知與多樣化資料型態的資 源分配研究. 學生：許筑淵. 指導教授：王嘉斌. 國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士班. 摘. 要. 近年來由於科技蓬勃的發展，4G 網路的飛躍性進步，長期演進技術(Long Term Evolution, LTE）系統一值是個值得關注的話題，但因為手持式裝置的發送 功率限制，正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA) 系統過大的功率消耗不適宜移植至各式各樣的手持式移動裝置內，因此 LTE 系統 選擇單載波分頻多工. (Single-carrier Frequency-Division Multiple Access,. SC-FDMA)作為其主要的上行鏈路傳輸系統，然而 SC-FDMA 系統在排程的策略 上，因為有連續資源塊的限制，無法沿用以往的 OFDM 系統機制，本篇研究提 出基於用戶的確實需求，進行資源分配，考慮到用戶的佇列狀態、延遲額度、封 包丟棄率，設計演算法以提升系統效能，改善整體傳輸效益。 關鍵字：長期演進技術、排程、上行鏈路、通道質量回饋、佇列感知、單載波分 頻多工。 ii.
(3) Resource allocation with buffer-awareness and various service types for LTE uplink systems. Student：Hsu, Chu-Yuan. Advisor：Dr. Wang, Chia-Pin. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University. ABSTRACT. According to the transmission power constrain for uplink users in LTE system, we know that the edge users have better chances to be neglected than central users, and only receive minor share of the total resources. In this study, we discuss and analyze the utility of several kinds of different service flows in LTE-A network and design resource allocation and scheduling technology for these specific traffic streams under Single-carrier Frequency-Division Multiple Access (SC-FDMA) systems, which was implemented in LTE-A network for uplink transmission. We propose a hybrid scheduling algorithm that considers the buffer states, packetloss, and the delay bound of different service flows under the SC-FDMA system which assures uplink users of fair quality of service, and to meet the users’ needs.. Keywords: LTE, scheduling, Uplink, CQI feedback, Buffer-awareness, SC-FDMA.. iii.
(4) 誌. 謝. 兩年的研究所生活在教授和實驗室成員的相互扶持之下，不知不覺就度過了。 想當初還是個懵懂的大學畢業生，還在站在學生的思維過日子，以為學習就只是 聽課與複習這麼簡單，而且也以為只要在專業知識上精進，便已足夠。這段時間 對我而言是一段無比珍貴的人生經歷，除了豐富的專業知識，提升身心的抗壓力， 也讓我體悟人生的方向和並增加了不少的人生追求，對於學習的意義有更深刻的 了解。在論文完成的這個當下，我要感謝相當多的人。首先，我必須深深感謝王 嘉斌老師，從第一年入學的暑假一直到畢業的這個暑假，整整兩年寒暑從未間斷 的充滿細心與耐心教導，每當我於研究過程中遇到無法自行解決的難題，總是能 給指給我最好的方向，帶我勇往直前無懼，讓我可以在研究上更加順利，老師不 僅僅於課業上給予指導，讓我體會到做研究之挑戰、艱辛、有趣和無比的成就感， 除了專業上諄諄教誨，老師也同時讓我學到許多待人處世的道理，兩年的研究生 涯，我對於老師的高度情緒管理能力深感佩服，也自期能成為一個有著高度情緒 管理能力的人，老師常常會用幽默的話語和譬喻，給予我與同學們諸多建議，如 同一盞明燈讓我能順利前進，如今乘風破浪來到於此，老師對我的尊尊教誨及無 私的付出，烙印在心，感激無限！. 此外，我懷著無比感恩的心，對養育我的父母，許文峰先生和鄭淑瓊女士， 說上一聲感謝，您們為家庭與孩子無私付出奉獻，無一句怨言，自小對我的栽培 與教道不遺餘力，因為有您們的養育、疼愛和無悔的支持，我才能擁有今天，一 直以來這麼多個年頭，您們真的辛苦了。時光匆匆，這兩年的日子裡，有歡笑有 淚水，多少的事件，是共同奮鬥的夥伴們一起度過的。感謝柯閎祥學長、戴天縱 學長和駱皓愷學長，想起剛進實驗室時的懵懂，對一切事物的陌生、研究上的挫 折，但因為學長們的熱心相助與不擺架子的好個性，讓我很快融入這個大環境， 也因為有你們的幫忙、鼓勵與帶領，讓我的研究室生活過得富足且愉快，無論是 iv.
(5) 在專業知識或日常生活上各位學長都給予相當多的幫助，讓我能很快能參予其中。 感謝一起奮鬥的同學們，書樺、琬真、雯琪還有唯耕，因為你們的存在讓生活多 了許許多多的歡樂，除了研究之外也從各位同學不同的人格特性中，讓我學到了 很多，自省了很多，那些同甘共苦的日子將成為我一輩子永銘在心的回憶。另外 還有學弟資涵和丞儒，你們的加入，讓實驗室充滿熱鬧與新活力。研究所這兩年 可以過得很快樂且獲益良多，謝謝所有人一路的陪伴，一同成長、學習、歡笑。 要感謝的人著實太多，我由衷感謝所有人所給予的一切，永銘在心。如今已經要 進入人生一個全新的階段，未來我將會為追求自己的理想而繼續努力，用心彩繪 出屬於我人生精彩絢爛的扉頁。. 筑淵. 謹誌於. 中華民國一百零一年六月 v.
(6) 目. 錄. 中文摘要 ...................................................................................................................... i 英文摘要………………………………………………………………………………iii 誌. 謝 .........................................................iv. 目. 錄 .........................................................vi. 圖. 目. 錄 .......................................................viii. 表. 目. 錄 ..........................................................x. 第一章. 緒論 ........................................................1. 1.1 研究動機與背景 ..............................................1 1.2 研究目的 ....................................................2 1.3 其他相關研究 ................................................4 1.4 論文架構 ....................................................6 第二章. 相關知識介紹 ................................................7. 2.1 3GPP LTE 廣域無線網路概述 ...................................7 2.1.1 LTE 網路模型配置介紹 ....................................... 8. 2.2 3GPP LTE 上下行鏈路架構介紹 ................................10 2.2.1 OFDMA 系統架構簡介 ........................................ 10 2.2.2 SC-FDMA 系統架構簡介 ...................................... 11. 2.3 SC-FDMA 優勢與特點 .........................................13 2.4 控制信令與通道介紹 .........................................15 2.4.1 邏輯通道 .................................................. 16 2.4.2 傳輸通道 .................................................. 18 2.4.3 實體通道 .................................................. 20. 2.5 LTE 封包與資源塊架構 ........................................21 2.5.1 TDD/FDD 訊框架構 .......................................... 21 2.5.2 上行鏈路資源塊架構介紹 .................................... 24. 第三章. 本論文研究所提出之演算法 ...................................27. 3.1 研究作法之動機 .............................................27 vi.
(7) 3.1.1 研究動機的起源 ............................................ 27 3.1.2 SC-FDMA 資源分配限制 ...................................... 29. 3.2 可適性排程演算法設計 .......................................31 3.2.1 基於佇列狀態分配資源之演算法設計 .......................... 31 3.2.2 可適性權重調整排程根據之演算法設計 ........................ 33. 第四章. 數值分析與模擬結果 .........................................39. 4.1 模擬環境與參數設定 .........................................39 4.2 模擬結果呈現 ...............................................40 第五章. 結論 .....................................................51. 參考文獻 ...........................................................52 自. 傳 ...........................................................54 (一.)生長背景 ..................................................54 (二.)求學過程與團隊經驗 ........................................54 (三.)自我評估 ..................................................54. vii.
(8) 圖 目 錄 圖 2- 1、LTE 系統設施基礎架構[17]........................................................................ 9 圖 2- 2、OFDM 發送器架構圖[7] ........................................................................... 10 圖 2- 3、SC-FDM 發送器架構圖[1] ........................................................................ 11 圖 2- 4、OFDMA 與 SC-FDMA 訊號比較 [18] ..................................................... 12 圖 2- 5、LTE 通道模型[7] ....................................................................................... 15 圖 2- 6、MBMS 訊息傳遞架構 ............................................................................... 19 圖 2- 7、FDD 訊框架構[7] ...................................................................................... 22 圖 2- 8、TDD 訊框架構[7] ...................................................................................... 22 圖 2- 9、上行鏈路訊框架構[7]................................................................................ 25 圖 2- 10、LTE 上行鏈路資源塊架構[7] .................................................................. 26 圖 3- 1、多樣化 UE 需求 28 圖 3- 2、連續資源塊分配與非連續分配之比較 ..................................................... 29 圖 3- 3、用戶通道曲線 ............................................................................................ 34 圖 3- 4、調整用戶通道曲線之示意圖 ..................................................................... 35 圖 3- 5、權重曲線圖 ................................................................................................ 36 圖 4- 1、原始 Greedy 演算法之資源浪費圖 I. 41. 圖 4- 2、原始 GREEDY 演算法之資源浪費圖 II ...................................................... 41 圖 4- 3、GREEDY 演算法中未傳送之封包數與未使用之封包數比較 ................... 42 圖 4- 4、封包平均延遲率 I ...................................................................................... 43 圖 4- 5、封包平均延遲率 II .................................................................................... 44 圖 4- 6、封包丟棄率 I ............................................................................................. 45 圖 4- 7、封包丟棄率 II ............................................................................................ 45 圖 4- 8、成功傳送的封包數 I .................................................................................. 46 圖 4- 9、成功傳送的封包數 II................................................................................. 47 viii.
(9) 圖 4- 10、RT 用戶成功傳送的封包數 I .................................................................. 48 圖 4- 11、NRT 用戶成功傳送的封包數 I ............................................................... 48 圖 4- 12、RT 用戶成功傳送的封包數 II ................................................................. 49 圖 4- 13、NRT 用戶成功傳送的封包數 II .............................................................. 50. ix.
(10) 表 目 錄 表 2- 1、SC-FDMA 與 OFDMA 之 PAPR 值比較表[1] .......................................... 14 表 2- 2、LTE 中的連結通道[7] ............................................................................... 15 表 2- 3、邏輯通道列表[7] ....................................................................................... 18 表 2- 4、傳輸通道列表[7] ....................................................................................... 19 表 2- 5、實體通道列表[7] ....................................................................................... 21 表 2- 6、LTE TDD 上下行鏈路傳輸切換表............................................................ 23 表 3- 1、BA 演算法之虛擬程式碼 .......................................................................... 33 表 3- 2、BA-ARP 演算法之虛擬程式碼 ................................................................. 38 表 4- 1、多種資料流之延遲額度 ............................................................................ 39 表 4- 2、模擬參數.................................................................................................... 40. x.
(11) 第一章. 緒論. 1.1 研究動機與背景 近幾年由於資訊技術日新月異，加上個人行動裝置的蓬勃發展與高速的演進， 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。3GPP(3rd Generation Partnership Project)所提出的長期演進計畫改革(Long Term Evolution, LTE)網路服務，為了滿 足那些具有高品質寬頻服務需求的移動裝置用戶，建置新興的 4G LTE 寬頻無線 存取網路，架構在先進技術強而有力的支持下，可以解決室外無線傳輸效能並保 證移動裝置獲得的服務品質(Quality of Service，QoS)質量，其擁有先進的半成熟 技術、標準化的規範，致力於提升無線寬頻網路的存取效益，優勢在於提供高傳 輸 速 率 (High Data Rate) 、 具 高 度 流 動 性 (High Mobility) 及 良 好 的 抗 衰 落 性 (Fast-fading)且能涵蓋廣大的覆蓋區域 (Coverage)、降低網路建設成本等，LTE 是 全球行動通訊系統 (Global System for Mobile Communications, GSM)超越 3G 與高 速下行封包存取(High-Speed Downlink Packet Access, HSDPA)階段邁向 4G 的進 階版本，在 2010 年 12 月 6 日以前 LTE 僅被稱為 3.9G，之後國際電信聯盟 (International Telecommunication Union, ITU)把 LTE 正式定義為 4G 網路。在 LTE 中 3GPP 使用正交分頻多工存取 (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)作為其下行鏈路的主要系統結構，上行鏈路方面則採用單載波分頻多工 （Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA）。SC-FDMA 因 其特殊的單載波結構，其訊號具有更低的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，可以降低放大器的工作區間，並且節省行動裝置用電，延長行用 裝置的電池壽命。LTE 除了使用 OFDMA 之外，還結合多輸入多輸出（Multi-input 1.
(12) Multi-output, MIMO）與混合式自動重送請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ），在這一些機制之下，LTE 系統可以隨著當下可用的頻域不同而使用不 同大小的頻帶，此一機制即使其的移動能力優越於全球互通微波存取（Worldwide Interoperability for Microwave Access,. WiMAX）。除此之外，在近期的測試探討. 中，南韓電子通訊研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute, ETRI）應用 LTE 網路架構，以時速 120 公里的移動的行動終端設備與基地台成 功進行資料的傳輸；諾基亞（Nokia）曾以 LTE 系統架構，在 2.6GHz 頻段上完 成速率約為 173Mbps 的資料傳輸現場測。由以上敘述可知，在 LTE 系統技術日 益成熟的趨勢之下，未來的網際網路系統將無可避免的由目前傳統的接取式網路 技術晉升到廣域寬頻網路，甚至更進一步的取代當前電信業務；若以當前台灣用 戶數目最多的中華電信為例，該業者的行動電話用戶直至去年底已經突破 1000 萬，而全台灣目前開通行動上網服務的手機門號已經超過 2059 萬，由此可見人 們對於通訊網路的需求及期盼皆越來越高，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。研究者對 LTE 的研究與測試上都十分積極，期 待在通訊系統的研究領域中保持相當的優勢以及領先。. 1.2 研究目的 近年來由於資訊傳遞的發達以及網路技術的進步，帶動了許多應用程式和資 2.
(13) 料傳輸的發展，尤其以影音多媒體發展的範圍最為廣大且快速，因此人們對於傳 輸具有高服務品質(Quality of Service, QoS)的多媒體資料渴求也日益增多，為了增 加生活的便利性以及實現地球村的理想世界，無線網際網路發展出許多不同的資 料應用，如網路語音電話(Voice over IP, VoIP)、串流影音(Streaming Video)或視訊 會議(Video Conference)等。這些多媒體技術可以運用在視訊點播、遠程教學、遠 程醫療、電子化辦公等多樣化的服務，因為此類資料屬於即時性的應用服務，需 維持時間維度上的高度相關性，所以對於傳輸的品質要求甚高，具有嚴格的時效 要求。為了利於網路傳輸，使用多媒體影音串流技術(Streaming)，將原始資料流 分割成以封包為大小的傳送單位，再經過不同壓縮技術使檔案變小，透過網路由 基地台終端傳遞到行動終端裝置，並由行動終端裝置解壓縮後播放使用。由於不 同的多媒體應用會各自擁有不同的物理特徵，且對應不同的服務品質要求進而發 展出不同類型的壓縮編碼技術，使得資料傳輸變動率高、對於時間的延遲要求嚴 格，就算同樣類型的服務也會因為隨著各式不同的移動裝置，而對於傳輸速率、 時間延遲等各方面的要求也會有所不同；因此在處理多媒體傳輸的方面，傳輸系 統必須設計成可採用多種形式的解編碼器(Decoder)、多種格式的顯示方式以及多 功能傳輸的媒體允入控制機制，還必須可以同時在多種媒體技術上作各式的訊息 交換。. 為了完成上述要求，如何有效分配有限的無線網路資源就成為許多研究人員 的 思 考 重 點 。 4G 網 路 中 的 媒 介 存 取 控 制 層 (Medium Access Control Layer, MAC-layer)就是設計為一個連線導向(Connection-Oriented)的架構，在其上的傳輸 層(Transport Layer)和其下的實體層(Physical Layer, PHY Layer)之間充作一個介面， 在提高無線資源的使用率上佔有不可或缺的重要地位。由於媒介存取控制層 (MAC Layer)負責處理物理層(PHY Layer)的允入和相同網絡體系中的協調、傳輸 等各項事宜。由於目前的無線網路技術都具有媒介存取控制層(MAC layer)，通道 狀態就成為評判無線網路品質好壞的最重要因素。無線網路系統的媒介存取控制 3.
(14) 層(MAC Layer)協議用於在不同通道狀態下提出不同的策略，因此，媒介存取控 制層(MAC Layer)能夠依據通道狀態的變化，動態地改變訊息的調變以及編碼方 式，以維持多樣化資料流的 QoS 要求。在多樣化複合的網路環境中，用戶對於資 源的需求也會有多樣化的不同，要如何適切的分配資源，一直是現下許多研究著 重的問題。尤其是當 LTE 系統相較於過去的 WiMax 系統提出不同的上行鏈路傳 輸機制 SC-FDMA，其在傳輸的限制與條件上與原始的 OFDM 系統有相當大的不 同，因此我們相信這篇論文所探討的內容是個值得深究的研究議題。. 1.3 其他相關研究 對於 LTE 上行鏈路排程架構之研究相較於下行鏈路來的稀少，主要是因為 SC-FDMA 系統與過往的 WiMax 系統皆不相同，無法沿用舊有的 WiMax 的系統 機制，且 SC-FDMA 相較於過往的 OFDM 系統在資源分配的限制上有部分的改變， 例如在資源塊的分配上，為了保持 SC-FDMA 的單載波特性，在資源的分配上要 求對單一使用這而言，其所得到的資源塊在同一時間點的頻域上必須為連續，這 一部分在設計上需要多加注意。文獻[2]中以賽局理論為基礎，提出上行鏈路排程 演算法，但實則並無考慮到 SC-FDMA 中資源塊須連續分配的要求，因此此一排 程演算法實在不適合遷入實際的 SC-FDMA 的系統當中；文獻[3]將延遲(Delay) 考慮進排程演算法中並且合併資源塊連續要求，站在系統的角度，旨在降低系統 的整體傳輸延遲，但其實驗結果有相當大的質疑點，若考慮延遲，且屏除不適合 的用戶與 RB 支配對，那在公平性上必定會有所犧牲，甚或是大量的用戶可能被 阻絕傳輸，得不到系統資源，但是其所展示的實驗結果卻不然，我們認為在這一 方面，文獻[3]有相當大的質疑點；文獻[4][5][6]分別以連續資源限制為主要考量， 提出適性的排程演算法及求解法。其中文獻[4]主要以提升系統資源分配的公平性 為目標，期望在依照通道狀況為主要參考依據情況下，還能兼顧資源分配的公平 4.
(15) 性，但是若是依照正常現實狀況，用戶本身的需求即為不相同，單考慮公平的分 配資源是相當不切實際的；而文獻[5]以線性代數的計算，算出最佳的解，可以最 大化系統傳輸效益，但具有過高的複雜度而難以實行，較具參考性的則是其所提 出的第二套演算法─貪婪式次佳化演算法(Greedy suboptimal algorithm)，雖其效能 遠不及於其所提出的最佳化演算法，但因為複雜度較低，執行的可能性較最佳化 演算法高出許多；而文獻[6]則提出不同的三個資源分配演算法，目的亦在於最大 化系統的整體傳輸效率，此一文獻具有精闢的模擬分析以及嚴謹的文章架構，對 於整個系統的說明也相當詳盡，是一篇非常值得閱讀及參考的文章；文獻[9]與我 們的研究有著相同的動機，也就是考慮不同用戶的多樣化需求，但是考量方式與 我們有著相當大的不同，相較於我們所研究到的範疇文獻[9]也顯得較為狹窄，其 以修剪的方式，將多分配給用戶資源剔除，並回收再分配給新的用戶，這樣的方 式顯得相當多餘，先分配再收回，無可避免的會增加系統整體的負擔；同樣的文 獻[10]也是與我們的研究有著相同的切入點與目標，不同的是文獻[10]的背景是下 行鏈路的結構，也就是 OFDM 的系統架構，因此與我們所考量的背景是完全不 同的，在資源分配的方式上理所當然的也會有所不同；文獻[14]中，將以往我們 所熟知的二元樹搜尋法嵌入 LTE 中上行鏈路的資源分配機制，同樣以最大化系統 傳輸效率為目標；而文獻[15]則以著名的匈牙利演算法，計算出資源分配的最佳 解。. 在過往研究文獻中，幾乎所有都以最大化系統傳輸效益為出發點進行資源分 配的演算法設計，但是我們必須強調的是在現實生活中，因為各式各樣的網路應 用，而用戶在使用網路的時候會有各自不同的需求，若將其等同視之，是非常不 符合現實世界的狀況，尤其這一個世代已經成為無時無刻且隨時隨地都可以行動 上網的時代，我們更應顧及個體的差異性，以完善的利用有限的系統資源，才能 真正得到最佳化的系統效益。因此在本研究中，我們提出其他研究的不足之處， 並且加以改善，考量現實世界狀況，將用戶的個別差異列入資源分配的考量機制， 5.
(16) 使得整體的資源分配機制更能符合現實情況與需求。. 1.4 論文架構 本論文架構如下：第一章為緒論簡介，第二章我們說明 3GPP LTE 中上下行 鏈路傳輸的相關知識與介紹，並特別著重於 SC-FDMA 系統架構介紹，第三章將 先說明我們改進上行鏈路排程架構的主要動機與目的，再者我們將詳盡說明我們 提出的演算法知詳細流程結構，第四章展示我們模擬結果與討論，第五章則為我 們所提出的結論。. 6.
(17) 第二章. 相關知識介紹. 2.1 3GPP LTE 廣域無線網路概述 在上世紀末，寬頻無線技術網路發展快速，其中 WiMAX 最受注目，它針對 微波和毫米波頻段而提出的一種全新的無線上網通訊技術，目前正日趨成熟。然 而這個世紀初，由 3GPP 規範的一項新興技術被提出，也就是目前大家所熟知的 LTE，以目前通訊產業的發展而論，LTE 擁有比 WiMAX 更加廣大的市場，也更 具有發展前景，而 3GPP 所發佈的 LTE-Aadvanced(LTE-A, 又稱作 LTE Realese 10, LTE Rel-10)中，測試估計出 LTE-A 在行動終端為靜止或是慢速移動的狀態之下， 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，由此可見未來的 4G 網路備受期待。. 接下來將介紹 LTE 標準發展史，在 2004 年提出的一套新系統主要為改善 UMTS 陸面無線接入(Universal Terrestrial Radio Access, UTRA)系統並最佳化 3GPP 的無線存取架構，主要目標為提升用戶平均吞吐量，在下行鏈路傳輸部分 期望達到第六版高速下行封包接入（High Speed Downlink Packet Access, HSDPA） 的三到四倍，上行鏈路傳輸則預計能達到高速上行封包接入（High Speed Uplink Packet Access, HSUPA）的兩到三倍；而直至 2007，LTE 正式由可行性研究階段 進展為被認可的第一代規範，開始制定整套通訊系統的標準；當年的 11 月，經 由 3GPP 工作組織會議通過 LTE TDD 融合技術提案。直至 2008 年 4 月， LG 電 子 (LG Electronics)和 北電網路（Nortel Networks）展示了當傳輸終端在每小時 110 公里時速的狀態下移動時,使用 LTE 系統可以達到 50Mb/s 的傳輸速度，直至 年底，整套的規範標準已經漸趨穩定，已經可以作為正式的商業用途。而為了更 貼近 4G 網路的願景，LTE 系統在標準的制訂上有下列的技術需求: 7.
(18) 1.. 增加上行及下行的傳輸技術。. 2.. 可變性的上行及下行鏈路頻寬分別為 1.4 MHz, 3.0 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz and 20 MHz。. 3.. 高度的頻譜使用效率(下行/上行= 2.1/0.9 (bps/Hz/cell))。. 4.. 最高行動終端移動速度可支援到350km/h。. 5.. 可和 GSM/HSPA/WCDMA 同時存在並且是全 IP 網路系統。. LTE -A 中增加了載波集成技術(Carrier Aggregation)與多點協作(Coordinated Multipoint)技術，能有效的提升頻譜使用以及資料傳輸效率。在未來我們相信 LTE 系統的進步將會日新月異，而且成為 4G 廣域無線網路的標竿技術。. 2.1.1 LTE 網路模型配置介紹 LTE 是現在被人所熟知的 4G 廣域無線網路系統，其在基地台與其他網路架 構之名稱及功能都與過往的 3G 系統有些許不同，在這方面的實體機房架構還是 必須考慮原本 3G 架構，以利硬體相互接軌，降低 LTE 實行時之建設成本，並向 下 相 容 其 他 世 代 的 通 訊 系 統 。 LTE 不 但 支 援 多 多 輸 入 多 輸 出 （ Multi-input Multi-output, MIMO）機制，也可因應通道變化進行多方調變傳輸，如 QPSK、 BPSK、16QAM 等，在下行鏈路以 OFDMA 作為主要的通道存取方式，而上行鏈 路則不同於過往，使用 SC-FDMA 系統。LTE 僅使用封包交換技術(Packet-Switch, PS)，除卻過往的線路交換技術(Circuit-Switch, CS)，將所擁有的資源做最大的利 用。. 在系統的架構方面，如同我們先前所提出的，LTE 原是 3GPP 既有技術的一 項改善計畫，因此系統上也是利用 3GPP 原始的系統架構進行演進，但對應原始 的 3G 架構做了部分功能上的整合及改善，例如:原本 3G 系統中的基地台(NodeB) 和無線網路控制器(Radio Network Controller, RNC)結合，而在 LTE 系統中此一新 8.
(19) 型的基地台被稱為 eNodeB，這一項合併，減免了此區段在 3G 系統中協議的程序，， 使得 4G 網路系統在用戶層中的節點較過往的架構更少。. 圖 2- 1、LTE 系統設施基礎架構[17]. 根據前一段落所提出的知識，我們接下來利用圖 2-1 進行更詳盡的解說，演 進通用陸地無線接入網路(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN) [17]是由 eNodeB、移動管理實體(Mobility Management Entity, MME) 和演進的系統架構(System Architecture Evolution, SAE)所組合而成。eNodeB 會透 過 S1 協定的空中介面與 MME/SAE 進行資料的交換，而 eNodeB 彼此相互之間 的訊息交換則是經由使用 X2 協定的空中接口。eNodeB 會去執行無線存取介面多 項的功能，例如:封包排程技術、換手機制、IP 表頭壓縮以及用戶資料流加密等。 而 MME 顧名思義即為 LTE 無線網路系統中主要的管理裝置，負責處理移動裝置 9.
(20) 處於閒置模式(Idle Mode)時的管理、演進型數據封包系統(Evolved Packet System, EPS)業務承載(Bearer)的管理機制、非存取層(Non-access Stratum, NAS)的安全管 理等多項功能皆在 MME 當中實行，並且在 4G 系統中，MME 與 Gateway 的裝置 分開設置，這樣的做法可以最佳化網路的設置並且使得系統承載量的調整更具彈 性。整體來說，目前 3GPP 系統(GSM. 和 WCDMA/HSPA)以及 3GPP2 系統. (CDMA2000 1xRTT，EV-DO)以標準化它們的介面，使其可以跟新的 4G LTE 系 統整合，並且期望做到無縫接軌，彈性的轉移原有的系統裝置。. 2.2 3GPP LTE 上下行鏈路架構介紹 在LTE系統中，下行鏈路使用OFDMA系統，而上行鏈路部分則推翻以往 WiMAX的既有架構，使用SC-FDMA系統傳輸用戶資料，用戶傳輸資料的時候， 雖然是在一個頻率多工的情形下，對於單一用戶卻擁有看似單載波的特性。在本 篇的章節中我們將探討OFDMA系統與SC-FDMA系統的切實差別，以期能更加詳 盡的了解，LTE上行鏈路構造及使用SC-FDMA系統的主要訴求。. 2.2.1 OFDMA 系統架構簡介. 圖 2- 2、OFDM 發送器架構圖[7]. 10.
(21) 上圖 2-3 中展示的是 OFDM 系統的發送器架構，當一連串的數列進入到發送 器時，會先經過一連船的串併轉換，將原本串列排序的訊號，改為並列排序，再 依照系統依照通道狀況而決定的調變方式，進行分組，因此每一個通道狀況不同 的行情之下，分封的訊號位元也會不同，主要是為了符合各式各樣的調變模式， 之後將訊號映射到對應的星座點上，得出其對應發射訊號的相位和震幅大小之後， 再經過圖中所展示的反傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transfrom, IFFT)，將訊號 搭載到其對應的子載波上，並且加上循環字首(Cyclic Prefix, CP)，防止符元間 (inter-symbol interference,. ISI)與子載波間（inter-carrier interference, ICI）干擾，. 最後將處理好的訊號由併列轉回串列，並交由發射機傳送。. 2.2.2 SC-FDMA 系統架構簡介. 圖 2- 3、SC-FDM 發送器架構圖[1]. 而 SC-FDM 發送機的架構便與 OFDM 有些許的不同，但這一小小的改變， 使得整個調變後的訊號在頻域與時域對應圖上有極大的不同，在介紹這點之前， 我們將先簡短介紹 SC-FDM 發送器的訊號處理。. 首先，一開始訊號會先經過一個串轉併的架構，並且跟 OFDM 相同，SC-FDM 支援多種調變方式，訊號將經過分組後，系統將依照通道狀況選擇調變方式，並 11.
(22) 且將依照該種調變映射到對應的星座點上，提取其相位及震幅大小之後，便進入 了 SC-FDM 與 OFDM 最大的不同處，便是在搭載到對應的子載波上之前，會先 經過一到離散傅立葉轉換的步驟(Discrete Fourier Transform, DFT)，此一步驟主要 是將原本在時域上的值轉換為頻域上的值，接下來才是把計算好的訊號搭載到對 應的子載波上，也就是我們上一節所提到的 IFFT 程序，之後加上循環字首、併 列轉串列程序，便成為可方送的 SC-FDMA 訊號。值得一提的是，SC-FDM 的傳 送器中，我們發現在 IFFT 的部分，會從原本的 M 點訊號轉換成 N 點的 IFFT 轉 換，主要是因為，在 SC-FDMA 的標準設置中[7]，在搭載到子載波頻域上，有集 中式跟分散式兩種撘載方式，在圖 2-3 中我們展示的是集中式的撘載方式，也是 目前 LTE 系統上行鏈路排程中，主要被重視及接受的一種撘載方式，較能配合 SC-FDMA 的單載波特性需求。. 圖 2- 4、OFDMA 與 SC-FDMA 訊號比較 [18]. 我們引用參考資料[18]進行 OFDMA 與 SC-FDMA 的比較，圖 2-4 即是 OFDM 12.
(23) 與 SC-FDM 訊號比較圖，圖中的橫軸是頻域，而進出紙面的垂直軸則是時域， 這張圖明顯的表示出，IFFT 對於 SC-FDMA 的功用所在，在 SC-FDMA 的訊號上， 每個符元在頻域上是平行的，也就是說如果一樣拿到四個子載波而論的話，由 SC-FDMA 發送出來的訊號可以視為頻寬為單一子載波四倍的一個頻寬較大的子 載波，而 OFDMA 訊號則是將不同的符元分別搭載在四個子載波的上方進行傳輸， 而在此圖的功率值上，在 LTE 系統中則不是這樣的分配，以目前 LTE 系統的文 獻中，僅下行鏈路使用的 OFDM 訊號，eNodeB 會依照各通道的狀況，適性的決 定傳輸功率，而不是像圖中所繪製的，在各個頻率上都使用相同的傳輸功率，而 SC-FDMA 的訊號則是以用戶固定輸出的功率，進行資料的傳輸，並且適性的分 配給各個通道，而非單因應通道狀況給予足夠的功率進行傳輸。. 2.3 SC-FDMA 優勢與特點 此一章節我們將講述 SC-FDMA 系統的特色及優勢，說明 LTE 選用此調變技 術原因，及其使用在上行鏈路的功用上更優於 OFDMA 系統的多項因素。在講述 其優勢之前我們必須先介紹所謂的峰對峰值比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR），其定義的數學是如下:. PAPR . Subcarrier which has maxmum power ………………………………….(2-1) Average power of all subcarriers. SC-FDMA 相較於 OFDMA 最大的優勢，便是其擁有較低的 PAPR 值。PAPR 即為系統中最大的子載波功率與總體子載波平均功率的比值，如公式(1)所示；若 PAPR 過大則會造成放大器(amplifier)的操作區間過大，接收到的信號因放大器工 作區間不夠而被截斷，造成失真，且 OFDM 系統中各個子載波傳輸功率的自適 調整機制，又因其傳輸方式，會將收到的訊號進行疊加，更造成了瞬間峰值過大 13.
(24) 的問題，且因應各載波特性進行功率的適應性調整，無法符合手持式裝置能源的 限制，因為以上這一項主要因素，LTE 選擇以 SC-FDMA 作為其上行鏈路的多工 技術。. Number of component. N * SC-FDMA. OFDMA. carrier (N). QPSK. 16-QAM. 64-QAM. 1. 1.2. 2.2. 2.3. 2. 2.6. 3.0. 3.2. 5. 3.4. 3.6. 3.7. 4.0. 表 2- 1、SC-FDMA 與 OFDMA 之 PAPR 值比較表[1]. 整體而論，SC-FDMA 擁有比 OFDMA 較低的 PAPR 值，如表 2-1 中所示， 文獻[1]根據不同的調變技術與不同個數的子載波，對 SC-FDMA 的 PAPR 值進行 測試，由表中我們即可以清楚的看出，不論何種調變技術，SC-FDMA 相較於 OFDMA 都擁有較低的 PAPR 值，而較低的 PAPR 值則可使 SC-FDMA 具有以下 優勢: 1. 可以提升最大的傳輸功率。 2. 改善蜂巢(cell)邊緣的覆蓋率。 3. 拉長移動行動裝置的電池壽命。. 在現今能源匱乏的時代，節能減碳是電子產品在設計研發時所不可省略的一 項相當重要的環節，而 LTE 上行鏈路使用 SC-FDMA 系統，正好因應了此時代潮 流。. 14.
(25) 2.4 控制信令與通道介紹 在本章節中將概略介紹 LTE 系統中控制信令與通道分配，首先 3GPP 在 E-UTRAN 中定義了三種類型的連結通道：. 通道名稱. 所在位置 存在於 RLC(Radio Link Control)和 MAC(Media. 邏輯通道(Logical Channel) Access Control)層之間 傳輸通道(Transport Channel). MAC 層和實體層(Physical layer)之間的溝通渠道. 實體通道(Physical Channel). 連接實體層與其底部的實體通道. 表 2- 2、LTE 中的連結通道[7]. eNodeB. User. Radio Link Control. Radio Link Control. Logical Channel. Logical Channel. Media Access Control Layer. Media Access Control Layer. Transport Channel. Transport Channel. Physical Layer. Physical Channel. Physical Layer. Physical signal. Physical Channel. Control Signal. 圖 2- 5、LTE 通道模型[7]. 除此之外，LTE 的標準中還定義了兩種底層的信令資訊: 15.
(26) 1. 控制信令(Control Signal):在傳輸通道間傳輸，由 MAC 層發射端所發送， 透過實體通道傳輸，把控制信令傳送給接收者的 MAC 層接收。 2. 實體信令(Physical Signal):出現在實體通道，它是由發射端架構中的實體 層所發送，經過通道之後由接收端的實體層進行接收。 如圖 2-5 中所描述，其中虛線的部分分別是上述所提及的控制和實體信令， 而實線部分則標明各區段通道的名稱。. 2.4.1 邏輯通道 在 LTE 的邏輯通道中，又被細分為七個傳輸不同資料的通道，簡略的通道表， 如表 2-3 所示，其中有三個可以同時支援上下行鏈路，而另外四個則僅只支援下 行鍊路的資料傳輸。三種支援雙向傳輸的通道分別為: i.. 專 屬 訊 務 通 道 (Dedicated Traffic Channel, DTCH): 是 一 點 對 點. (Point-to-Point)的 t 傳輸通道，主要搭載用戶彼此之間欲傳輸的訊息。 ii.. 專屬控制通道(Dedicated Control Channel, DCCH):傳送已與 E-UTRA 建立. 連線之特定用戶的控制信息，是一對一的訊息傳輸。 iii.. 共用控制通道(Common Control Channel, CCCH):用於傳送用戶與核心網. 路間的溝通資料，是一對多的通道，傳送資料時會加上一份識別碼，用於識別正 在服務該用戶的 eNodeB，以利系統將資料正確傳送到對應的 eNodeB，避免資料 錯送或是重送而降低系統效率。. 而剩餘四種只支援下行鏈路傳輸的通道，則如下列: i.. 多點訊務傳輸通道(Multicast traffic channel, MTCH)：它承載了多媒體組. 播多播服務(multimedia broadcast / multicast service, MBMS)的資料留給用戶，屬於 一種共享網路資源的服務，由單一個資料源傳遞訊息給多個用戶，在現實中的例 子則如移動電視服務。 ii.. 組播控制通道 (Multicast control channel, MCCH)：乘載了和 MBMS 相關 16.
(27) 的控制信令，正常而言一個單頻帶的網域，只會有一個 MCCH，但是由於 LTE 系統支援多樣化的服務流，而每一種組播服務基於其不同的服務特性，對於服務 質量(Quality of Service, QoS) 的要求皆不盡相同，因此在一個單頻帶的網域，也 可能有多個不同的 MCCH。 iii.. 傳呼控制通道(Paging control channel, PCCH)：乘載傳呼的控制信令，舉. 例而言，如果基地台不知道用戶目前的所在位置，便會透過此通道發送輪詢 (paging)訊息給該用戶。 廣播控制通道(Broadcast control channel, BCCH)：3GPP 在定義此一通道. iv.. 時，考量到為避免非廣播用戶，接取道此控制訓令，因此在此控制通道下並不傳 送廣播服務中的任何參數，此通道僅止提供接收此網域中廣播控制通道的資訊。 此一通道傳輸的信令包含下面幾種: 1.. 單頻網區域識別碼(MBSFN Area ID)：主要用來識別所屬之單頻網區域。. 2.. 廣播控制通道的調變和編碼機制(MCS)：用來說明傳送該廣播控制通道 的子訊框內容，和其所採用的調變編碼機制。. 3.. 廣播控制通道的重複播放週期(MCCH Repetition Period)：用來定義該廣 播控制通道將每隔多少個系統訊框(frame)出現一次。. 4.. 廣播控制通道的訊框位置偏移量(MCCH Frame Offset)：用來定義該群播 控制通道的訊框位置偏移量。. 5.. 廣播控制通道的子訊框位元映像圖 (MCCH Subframe Bitmap)：藉由 MCCH Repetition Period 和 MCCH Frame Offset 此兩項參數可定義出廣 播控制通道所在的訊框，而此參數則更進一步定義出此廣播控制通道所 在子訊框的詳細位置。但是考慮到一個廣播控制通道內的資料量可能大 於單一子訊框乘載量，所以廣播控制通道內的資料允許被分段(segment) 搭載在不同子訊框上進行傳輸。藉由此項子訊框位元映像圖參數，將可 指示出哪些子訊框將會被用來乘載廣播控制通道資訊。. 17.
(28) Abbreviation. Name. Signal. DTCH. Dedicated Traffic Channel. Data. DCCH. Dedicated Control Channel. Signal on SRB 1/2. CCCH. Common Control Channel. Signal on SRB 0. MTCH. Multicast Traffic Channel. MBMS data. Bi-direction (Uplink/Downlink). MBMS control One-direction. MCCH. Multicast Control Channel signal. (Downlink only) PCCH. Paging control channel. Paging message. BCCH. Broadcast Control Channel. System information. 表 2- 3、邏輯通道列表[7]. 2.4.2 傳輸通道 在傳輸通道方面，與邏輯通道不同的是，傳輸通道皆為單向通道，將上下行 鏈路的資料傳輸完全分開，其中上行鏈路部分擁有以下兩種通道；首先我們介紹 上行共享通道(Uplink shared channel, UL-SCH)，其承載了用戶欲傳輸的資源和上 行鏈路的控制訊號，此外並支援 HARQ(Hybrid Automatic Repeat-reQuest, ARQ) 的傳輸；另一項便是隨機接入通道(Random access channel, RACH)，主要傳輸用 戶與網路建立連線、換手允入要求以即時間同步等訊息傳遞。. 而在下行鏈路的通道部分，LTE 中定義了四種傳輸通道包括下行共享通道(Downlink shared channel, DL-SCH) 、組播通道 Multicast channel, MCH)、傳呼通道(Paging channel, PCH)和廣播通道(Broadcast channel, BCH)。其中 DL-SCH 顧名思義承載了 eNodeB 要傳 輸給用戶的下行資源和控制信息，並且如同 UL-SCH 一般，其另外還支援 HARQ 的傳 輸。而 MCH 則主要連結於邏輯通道的 MCCH 乘載了 MBMS 相關的控制信息和資源， 並且乘載 MBSFN(multimediabroadcast on a single frequency network)的傳輸，其與 MCCH 的連接如圖 2-6 所展示。PCH 則與邏輯通道的 PCCH 做連結，搭載輪詢信令，也支援 18.
(29) DRX(discontinuous reception)控制信令，利於節省能源。最後一部分的 BCH，承接邏輯 通道中的 BCCH 重要的系統廣播資訊。概略的通道名稱及其所搭載的訊號，如表 2-4 所 列。. Abbreviation. Name. Signal. UL-SCH. Uplink shared channel. Uplink data and signal. RACH. Random access channel. Uplink. Signaling connection request DL-SCH. Downlink shared channel. DL data and signaling MBMS when using. MCH. Multicast channel. Downlink. MBSFN PCH. Paging channel. Paging message. BCH. Broadcast channel. System information. 表 2- 4、傳輸通道列表[7]. 圖 2- 6、MBMS 訊息傳遞架構 19.
(30) 2.4.3 實體通道 實體通道中，將傳輸信息做出更細項的分類，概略的通道名稱與其搭載訊息 如表 2-5 所羅列，實體層上行鏈路中有三種通道，分別為實體上行共享通道 (Physical uplink shared channel, PUSCH) 、實體上行控制通道(Physical uplink control channel, PUCCH)、實體隨機接入通道(Physical random access channel, PRACH)三種通道，當中的 PUSCH 對應道傳輸層的 UL-SCH，傳送用戶欲傳送之 資料訊息，若該用戶同時有數據資料以及控制訊息要傳送時，PUSCH 也可用來搭 載該用戶的上行鏈路控制符碼；PUCCH 則專門傳送控制信息，包括通道質量指 示符(Channel Quality Indicator, CQI)、ACK/NACK 等控制資訊；而 PRACH 則是 承接傳輸層的 RACH，承載用戶建立連線、時間同步等要求信息。. 下行鏈路實體層定義了六種傳輸通道，涵蓋實體下行共享通道(Physical downlink shared channel, PDSCH)，承接由傳輸層之 DL-SCH 和 PCH 傳送至實體 層的訊息；實體組播通道(Physical multicast channel, PMCH)，承接傳輸層中的 MCH；實體廣播通道(Physical broadcast channel, PBCH) 則搭載 BCH 傳送下來之 訊息，用於在一個蜂巢系統內廣播系統基本資訊，概如我們在邏輯層中所講述之 BCCH 所傳輸之內容相類似；實體控制格式指示通道(Physical control format indicator channel, PCFICH)，搭載控制信令，也就是 PDCCH 上訊息的表頭，指示 控制訊息長度、位元數等資訊；實體控制通道(Physical downlink control channel, PDCCH)，搭載 eNodeB 給各個用戶的控制資訊； 實體混合 ARQ 指示通道(Physical hybrid ARQ indicator channel, PHICH)使得 ARQ 的傳輸獨立於 PDCCH 之外，而 此一信令在實體封包中的位置，由 PBCCH 內的資料定義。. 20.
(31) Abbreviation. Name. Signal. PUSCH. Physical uplink shared channel. Uplink data and signal Signaling connection. Uplink. PRACH. Physical random access channel request. PUCCH. Physical uplink control channel. Uplink control information. Physical downlink shared PDSCH. DL data and signaling channel MBMS when using. PMCH. Physical multicast channel MBSFN Physical control format indicator. PCFICH. Control format indicator. Downlink. channel Physical hybrid ARQ indicator PHICH. Hybrid ARQ indicator. channel Physical downlink control. Downlink control. channel. information. Physical multicast channel. System information. PDCCH PBCH. 表 2- 5、實體通道列表[7]. 2.5 LTE 封包與資源塊架構 本研究主要是探討 LTE 系統中的資源分配演算法，因此在本章節我們會探討 關於 LTE 的訊框架構、資源塊大小與分布等知識。. 2.5.1 TDD/FDD 訊框架構 LTE 系統可以同時支援了分頻雙工(FDD)和分時雙工(TDD)兩種多工模式， 21.
(32) 在 2007 年 11 月 3GPP RAN1 的會議中，通過了由 27 家公司提起聯署的 LTE TDD 融合訊框(frame)架構建議，統一了 LTE TDD 的兩種訊框標準。融合後的 LTE TDD 訊框結構以 TD-SCDMA 的訊框為基礎架構，這奠定了 TD-SCDMA 成功演進到 LTE 的基礎，甚或是向 4G 的廣域無線網路中邁進。TDD 訊框結構融合使得更多 廠商參與了 TDD 訊框的標準制定過程中，因此 LTE TDD 技術受到來自各方的廣 泛重視，在此背景之下產業化的進程也有了顯著躍進。圖 2-7、圖 2-8 分別是 FDD 和 TDD 協議下定義的 LTE 訊框格式。不論在 TDD 或 FDD 中，單一訊框的時間 長度皆為 10ms，且每個訊框底下都可分割為 10 個子訊框，因此每個子訊框的時 間長度為 1ms，而每個子訊框(subframe)又可再被切分成為兩個時槽，顯而易見的 每個時槽(Slot)的時間長度 0.5ms。. 圖 2- 7、FDD 訊框架構[7]. 圖 2- 8、TDD 訊框架構[7] 22.
(33) 接下來我們將圖 2-8 中的標示，詳細說明。LTE TDD 的訊框，每個半訊框(One half-frame)皆由 4 個子訊框，也就是 8 個長度為 Tslot 15360Ts 0.5ms 的時槽，加上 3 個時槽下行鏈路導引時槽(Downlink pilot time slot, DwPTS)、保護區間(Guard Period, GP)和上行鏈路導引時槽(Uplink pilot time slot, UpPTS)組成。DwPTS、GP 和 UpPTS 三者相加的總時間長度等於 30720Ts 1ms ，其功用是切換上下行鏈路傳 輸，其中 DwPTS 和 UpPTS 的長度是可以被調配更改的。由圖 2-8 中可以看到子 訊框 1 和 6 是由 DwPTS、GP 和 UpPTS 所組成，所有其他子訊框由 2 個時槽組 成，用以傳輸上下鏈傳輸資料。. Subframe number. Switch-point Configuration periodicity. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 0. 5ms. D. S. U. U. U. D. S. U. U. U. 1. 5ms. D. S. U. U. D. D. S. U. U. D. 2. 5ms. D. S. U. D. D. D. S. U. D. D. 3. 10ms. D. S. U. U. U. D. D. D. D. D. 4. 10ms. D. S. U. U. D. D. D. D. D. D. 5. 10ms. D. S. U. D. D. D. D. D. D. D. 6. 5ms. D. S. U. U. U. D. S. U. U. D. 表 2- 6、LTE TDD 上下行鏈路傳輸切換表 (參閱自 3GPP 技術標準). 至於 DwPTS 和 UpPTS 的作用，我們進行以下的說明，子訊框 0 和 5 搭載下 行傳輸資料。LTE 支持 5ms 和 10ms 上/下行切換點。對於 5ms 上/下行切換週期， 子訊框 2 和 7 作用於上行。對於 10ms 上/下行切換週期，每半個訊框都有 DwPTS； 23.
(34) 只 在 第 一 個 半 訊 框 內 有 GP 和 UpPTS ， 第 二 個 半 訊 框 的 DwPTS 長 度 為 30720Ts 1ms 。UpPTS 和子訊框 2 作用於上行，子訊框 7 和 9 作用於下行。而除. 了上面所說明的切換方式之外，LTE 當中對 TDD 另外定義了多種不同切換模式， 共有六種切換模式如表 2-6 所定義。. 2.5.2 上行鏈路資源塊架構介紹 以 FDD-LTE 為例，LTE 上行鏈路的訊框架構如圖 2-9 所示，PUCCH 控制通 道被定義在整個傳輸訊框的最上和最下的兩個子載波(Subcarrier)上，中間的部分 是 PUSCH，如我們先前 2.4.3 所提及，PUSCH 用於傳輸用戶欲傳輸之資訊，而 每 個 時 槽 中 的 第 三 個 SC-FDMA 符 元 ， 搭 載 該 時 槽 用 戶 的 解 碼 參 考 信 號 (Demodulation reference signal, DM RS)，用於識別該用戶所使用之編碼方式，而 每個訊框的最後 一個子訊框 的最後一個 符碼 ，搭載各用 戶的探測參 考信號 (Sounding Reference Signal, SRS)，利於 eNodeB 得知通道狀況，利於通道傳輸選 擇或是功率分配。在圖 2-9 中我們所展示的一個時槽中有 7 個 SC-FDMA 符元， 這與當下傳輸時所挑選的循環字首(Cyclic Period, CP)長度有關，一般在都市中傳 輸距離較短，皆使用標準循環字首(Normal cyclic period)，若在郊區，由於傳輸距 離長，為避免在 多重路徑干 擾，此時系 統便會考慮使用 延伸型的循 環字首 (Extended cyclic period)，而在這樣的狀況下，由於一個訊框的長度是固定的，因 此將會壓縮道 SC-FDMA 符元的空間，單一時槽中的 SC-FDMA 符元將會縮減為 6 個。需特別強調的是，圖 2-9 中所繪製的 SRS 僅出現在訊框的最後一個符元上， 並不是每個時槽中都會出現。. 24.
(35) 圖 2- 9、上行鏈路訊框架構[7]. 25.
(36) 圖 2- 10、LTE 上行鏈路資源塊架構[7]. 接下來我們將介紹 LTE 規格中定義出的最小分配單位，圖 2-10 中是一個 LTE FDD 上行鏈路傳輸訊框，在頻域上的展開示意圖，這部份我們與圖 2-9 做連結， 使用標準循環前字首(Normal CP)的訊框做說明，也就是說每個時槽中有 7 個 SC-FDMA 符元，LTE 定義一個 SC-FDMA 符元為一塊最基本的資源單位(Resource Element, RE)，而資料搭載的最基本單位為所謂的資源區塊(Resource Block, RB)， UL RB UL 如圖 2-10 中所繪製，RB 的大小為 N symbol * M subcarrier ，其中 N symbol 代表上行鏈路的傳. 輸符元個數，如同我們先前所述，使用標準循環字首的上行鏈路訊框，符元個數 RB 為 7，而 M subcarrier 則代表了單一個 RB 中所擁有的子載波個數，在 3GPP 的標準定. 義中，單一 RB 將分配道 12 個子載波，因此一個 RB 的大小即為 7*12=84 個 RE。. 26.
(37) 第三章. 本論文研究所提出之演算法. 3.1 研究作法之動機 LTE 仍就是一種中央集權方式的系統，也就是說 eNodeB 掌管所有的資源並 決策分配，縱使上行鏈路改用 SC-FDMA 系統，在資源的管理上，卻無太大的改 變，在此一機制之下，假使 eNodeB 與行動裝置間沒有良好的協調溝通，在資源 的分配上則不一定能切合用戶的真實需求，然而就我們閱讀到的各類文獻中，對 於此部分的探討甚少。. 3.1.1 研究動機的起源 在用戶裝置(User Equipment, UE)向 eNode 請求上傳資源時，未必每次都能獲 得對應於 UE 需求的資源，造成即時的資料封包被延遲傳送，導致在之後排程期 間 UE 的資料封包延遲(delay)逐漸增加，加劇封包的延遲現象，更進一步當封包 被留置於柱列中的時間越長，一定的程度後封包將會被丟棄，因此適時並且適性 的分配資源對 LTE 中的上行練路傳輸而言具有一定程度的重要性，但是我們所參 閱的文獻當中，這部分的研究相當的稀少，一如在第 1.3 節中所提及的各個研究 文獻，多數的研究文獻將目光放在系統的角度，旨在提升系統效能為目的，提升 系統效能固然是完全正確的方向，但是若是在之中忽略的 UE 的切實需求，則使 得整個文獻偏離真實世界狀況，過度理想化的演算法或是模擬，縱使結果能提升 系統效能，但在嵌入實際用途後，卻不一定能達到同樣的成效。. 我們以圖 3-1 來更詳盡解釋我們的訴求，如圖中所示，一個蜂巢系統中有多 個不同的 UE，而每個 UE 正在使用多樣化的資料流服務，在這樣的情況之下， 每個封包會有各自不同的延遲額度(Delay Budget)，當期在佇列中，等待超過該種 資料流的延遲額度後，便會被丟棄，而在 LTE 上行鏈路的排程中，因為 eNodeB 27.
(38) 掌握了所有的傳輸資源，UE 會將各自對應於各通道的 CQI 搭載在 PUCCH 上回 傳至 eNodeB，此時 eNodeB 便會根據這一些數據進行資源分配，搭載在之後緊接 著將傳輸的 PDCCH 上，告知用戶在接下來的上行傳輸時所被分配到的資源塊位 置，而這一種根據 CQI 回傳訊息作為資源排程根據的策略，對於位在蜂巢中心的 UE 具有較大的優勢，因為距離 eNodeB 較近，其通道衰減狀況必會比蜂巢邊緣的 UE 少，因次在資源分配的競爭上，具有高度的優勢。而圖 3-1 中，可以觀察到 位在蜂巢中心的 UE C 的佇列中所帶傳的封包較其他 UE 來的稀少許多，另一方 面，此時處在蜂巢邊緣的 UE A 和 B，佇列中皆有大量的資源待傳，縱使其兩者 回傳至 eNodeB 的 CQI 值較為不佳，但我們認為還是應該著重於用戶的切實需求， 將資源做適切的分配。我們認為一個好的演算法應該是構思簡單，複雜度低且執 行率高，並且在不增加系統過大負擔的情況之下，達到改善原有的演算法，達到 更加的效能。. User B.. Packet which has high argency Normal packet. User C.. User A.. 圖 3- 1、多樣化 UE 需求 28.
(39) 3.1.2 SC-FDMA 資源分配限制 LTE 上行鏈路使用 SC-FDMA 系統，在資源分配上與 OFDM 系統有一特殊 的顯著差異，主要原因是由於兩者所調變出來的信號在頻域上的不同，如圖 2-4 所示，SC-FDMA 的信號在頻域上的排列是單載波的狀態，因此為符合此一特性， 系統在分配資源時分配給單一 UE 的資源塊，在頻譜上需為連續的區塊。由這樣 的連續資源塊限制使得 SC-FDMA 在資源分配時，無法與 OFDM 有著相同的自由 度，此一前提造成 SC-FDMA 在分配資源的效能上必定會有所犧牲。. RB 1. RB 2. RB 3. RB 4. RB 5. RB 6. RB 1. RB 2. RB 3. RB 4. RB 5. RB 6. User 1. 9. 6. 4. 2. 8. 3. User 1. 9. 6. 4. 2. 8. 3. User 2. 10. 5. 6. 4. 2. 3. User 2. 10. 5. 6. 4. 2. 3. User 3. 6. 9. 2. 8. 7. 5. User 3. 6. 9. 2. 8. 7. 5. User 4. 3. 7. 4. 6. 5. 2. User 4. 3. 7. 4. 6. 5. 2. 圖 3- 2、連續資源塊分配與非連續分配之比較. 如圖 3-2 中所示，我們 UE 對應於各 RB 的通道狀況做出量化，等級由 1 至 10，數字越大代表通道等級越好，所能承載的符元越多，也會擁有越好的傳輸品 質，圖 2-3(a)中的資源分配並無連續的限制，可以看到每個 RB 我們皆可以挑選 對應於該通道擁有最好通道品質的用戶，因此整體傳輸的通道品質質量可以到達 約 46；但是在圖 2-3(b)中我們依照連續資源塊的排程限制，進行資源塊的分配， 因為資源塊的連續需求，整體所能達到最佳的通道品質質量僅只有 40。SC-FDMA 在分配 RB 上有連續資源塊的特殊限制，因此我們認為在這樣的狀況之下，將資 源適性的分配給值得被關注的 UE，才是設計排程演算法應著重的部分。. 為了使我們提出的演算法可以切合 SC-FDMA 的此項要求，我們參考文獻[3]， 29.
(40) 並利用以下數學式實踐 SC-FDMA 的連續資源塊排程限制: ( ) , = 1, ∀ = 1, … , (3 − 1). ,. ∈ {0,1} . 首先我們定義了 = 1，若. ,. ,. ,. (3 − 2). ，其為一個二位元的參數，當RB i 被分配給UE j 時. = 0則表示RB i 未被分配給UE j，如式(3)中所表示。而式(2)則是. ,. 很直觀的表示式，其限制了每個RB在同一輪的排程意即一個傳輸時間間格 (Transmission Time Interval, TTI)的時間內只可分配給單一個UE使用。 ,. =. =. ,. +. , ,. +. −. , ,. ,. (3 − 3). ≤ 1 (3 − 4). 式(4)、(5)則為連續資源排程限制的主要數學式，在分配每一個RB時，我們 會檢視. ,. 與. ,. 塊的限制，其中. 的關係，用以使系統在每次的資源分配當中，皆能遵守連續資源 ,. 和. ,. 是分配與未分配的狀態改變示意參數，舉例而論:若RB i. 未被分配給UE j ，但是RB i+1被分配給UE 配給UE. j 而RB i+1卻未被分配給UE. j 時. j 則 ,. ,. = 1，反之當RB i 確定被分. = 1。式(5)限制了對於同一個UE. 而言，其在特定的一個RB上不可能同時得到與失去。 ≤ 1 ；. , ∈. ,. ≤ 1, ∈ (3 − 5). ,. ≤ 1, ∈ (3 − 6). ∈. ≤ 1 ；. , ∈. ,. ∈. ,. ,. {0,1} . 30. ,. (3 − 7).
(41) 式(6) 、式(7)和式(8)是基本的限制條件式；其中式(6)表示對任一用戶而言， 在單一輪的資源排程中只能進行各一次的資源塊分配狀態變動，這樣的限制也符 合資源塊連續的機制，而式(7)同一個RB只能在單一用戶的分配上做增減. 3.2 可適性排程演算法設計 我們提出的演算法是基於 UE 實際狀況進行系統資源的排程，進行系統效能 的改善，在過往的研究中，大多數的文獻將 UE 的資料流視為源源不絕不曾中斷 的狀態，但我們認為這樣的考量十分不符合現實狀況，若以單次排程間格為 1 個 TTI 的時間缺間而論，在這之中 UE 的封包來訪個數，必定會與其所使用的資料 流的不同而息息相關，再者 LTE 原來即是個多媒體的服務網路，與原始 3GPP 的 設定大相逕庭，所以考慮網路中不同的服務需求是不可忽略的。. 3.2.1 基於佇列狀態分配資源之演算法設計 在相關研究中，我們發現對於佇列狀態與排程連結的研究相當的稀少，尤以 在 SC-FDMA 的系統中，但是在上行鏈路的排程當中，每一個 TTI 中能提供分配 的資源相當有限，這一種情形之下，在排程上更應注重資源的有效使用性，意即 我們必須將有限的資源與最有需要的用戶做出正確的配對，以減少頻寬或資源上 的浪費，提高用戶的傳輸效能，這樣的情形之下才有辦法提升整體的系統傳輸效 能。. 考慮多樣化資料流的網路環境下，我們發現過往的排程演算法在分配資源時 便會有所浪費，單只是把資源完全的分配出去，而不考慮 UE 確實的需求狀況， 即使達到高度公平性或是良好的通道狀況，對系統或 UE 而言也是無用。因此我 們將 UE 的佇列狀態列入排程考量，而提出了下列的式子: ( )=. ,. ,. (3 − 8). 31.
(42) ( ), ≤. , ∀ = 1, … , (3 − 9). 式(9)中的 ( )是系統所能達到的總通道質量，我們考慮的狀況是讓系統可以 在每次排程中 UE 皆可使用對應於其狀況較好的通道用以傳輸資料，但是每次 UE 所拿到的資源數必須小於其所待傳的封包個數. ，減免系統資源的浪費，並且. 這一些剩餘的資源也可以讓給實際上有需要但是通道狀況較差一點的 UE 作為使 用，而不是讓通道狀況好的用戶佔有多數的資源，不論其是否有真實的需要。其 中. ,. 為 RB i 對應於 UE j 的通道質量數，而 ( ) , 則如我們在式(3)中所定義，是. 資源塊分配於否的參數值。而整個系統設計的虛擬程式碼(pseudo code)，如表 3-1 所展示，其中我們利用傳統的排程方式，也就是以通道質量. ,. 作為資源分配的主. 要依據，並且在每一次分配資源之前，先檢視用戶的佇列狀態，在進行資源的給 予。. 32.
(43) Algorithm 1:. Buffer-Awareness. 1:. Set Λ be the set of all matrix valus λiu stored in decreasing order. 2:. Let R be the set if unscheduled RBs. 3:. Let U be the set of schedulable Users. 4:. ru is the numbers of RB user u already got. 5:. ru←0. 6:. cth←0. 7:. while R≠ψand U≠ψ. 8:. Find the corresponding user u and RB i of cth largest matrix value λij ∈ Λ , j ∈ U, i ∈ R. 9: 10:. if rj ≤ Bj if Sj=ψ or RB j is adjacent to Sj. 11:. Assign RB i to User j. 12:. R=R-{i} , Bj = Bj -1 ,rj = rj +1. 13:. end if. 14:. end if. 15:. if Bj=0. 16: 17:. Λ=Λ-{j} end if. 18: end while 表 3- 1、BA 演算法之虛擬程式碼. 3.2.2 可適性權重調整排程根據之演算法設計 上一章節我們考量了個別 UE 的佇列狀態，但我們發現單純顧及 UE 的佇列 內封包個數是不夠的，應該更要考慮 UE 資源需求的緊急程度，並且幫助急迫需 要資源的 UE 得到較多且較佳的傳輸位置。尤以當系統中存在各種使用不同服務 33.
(44) 流的 UE 時，不同的應用程式對於延遲有著相異的要求與限制，如圖 3-1 所示， 我們發現不同的 UE 在各自的佇列中有著不同數量的封包需要傳輸，UE A、B、 C 與基地台的距離遠近為 C<B<A，對照於一般的通道狀況，越靠近基地台的 UE， 在這一例子裡是 UE C，會有越好的通道品質，因此在資源的分配上，若以瞬時 的傳輸速率作為考量情況下，UE C 易得到最好的通道進行傳輸，但我們可以看 到，在 UE C 的佇列中只有三個封包等待傳輸，相較於 UE B 和 UE A 的狀況，單 考量封包數量時，UE C 實際上不需要最多資源；另一部分，在系統中有著多種 不同的服務流之情況下，我們認為封包的緊急程度亦是在排程中相當重要的參考 依據，再次利用圖 3-1 說明，各個 UE 佇列中所等待的封包我們將其分為兩類， 綠色的是急迫性較低的封包，也就是延遲額度較高的資料流，如:HTML、email 等；而紅色代表急迫性較高的資料流傳輸，如: 視訊對話(Conversational video)、 即時遊戲(Real-time gaming)等，這一類的資料則擁有較低的延遲額度，容易因為 等待時間過長而遭到拋棄。從圖中我們可以觀察到，UE A 的擁有最多的即時型 資料待傳，因此在排程上我們認為，應該提高 UE A 被分配 RB 的優先權，將資 源分配與 UE 個別需求度結合。. 圖 3- 3、用戶通道曲線 34.
(45) 接下來我們討一個在物理層上已知的知識，假使某 UE 對應特定 RB 擁有良 好的傳輸品質，那其 UE 對應於該 RB 鄰近的資源塊應該也會擁有良好的傳輸品 質，我們將圖 3-1 中三個 UE 對應於同一區段 RB 所能達到的傳輸等級分別畫成 曲線，如圖 3-2 所示，藍色及綠色分別為 UE C 和 B 的排程參考值曲線圖，紅色 UE A 排程參考值曲線圖，我們會發現在連續 RB 塊上，UE A 因為通道狀況較另 兩位用戶差，並無法得到更多的資源，而在圖 3-1 中可以看到，用戶 A 的封包已 經逼近要被丟棄的邊緣，其資料的緊急程度甚高，而得到最多資源的用戶 C，可 能因為所使用的服務不同，它的封包還有許多地等待空間，而這樣的狀況下，我 們希望可以調整整個排程的參考曲線，提升 UE A 的排程參考，但須在不損害系 統效益的前提下，也就是說我們仍舊希望可以讓系統把資源分配給通道狀況較佳 的用戶，因此我們所考慮的狀況就如圖 3-3 所展示。. 圖 3- 4、調整用戶通道曲線之示意圖. 圖 3-3 中是我們演算法的粗略想法，我們希望可以在不破壞原始通道曲線的 狀況之下，提升用戶 A 在獲得資源上的競爭力，前提在於用戶 A 對於資源的渴 35.
(46) 求有一定程度上的緊急性，如果可以將原本用戶 A 的紅色曲線，拉高到 A’的紅 色虛線，從圖中下方我們可以明顯地觀察到，用戶 A 便可以占有更多的 RB 進行 傳輸，以利其進行即時型的資料流傳輸，有效降低封包的丟棄率，也可令即時型 的網路服務更加順暢。根據上述所論，我們將封包的緊急程度列入資源分配的重 點，在此之後我們便思索著要以怎樣的方式提升用戶的排程競爭力，為此我們提 出以下數學公式:. w =. log. . −. 1 . <ϑ. (3 − 10). >ϑ. 圖 3- 5、權重曲線圖. 是 UE j 的專屬權重值，而 所擁有的緊急封包數， 其用意是當. 與. 時，我們會直接將其. 是系統中擁有最多緊急封包個數的用戶. 則是用戶 j 所擁有的緊急封包個數， 為一門檻值， 之間的差值小於 1，也就是當. 非常接近. 設為最大值，此一參數所繪製出來的曲線如圖 3-4 所示， 36.
(47) 其為一個指數分布上升的曲線圖，我們希望調整過後的 CQI 不要偏離原本的值過 多，因此只有當用戶迫切需求資源的時候，其專屬的權重曲線才會上升的越快， 這樣的曲線使得系統可以適切的分配資源給予確實有所需求的用戶。在這樣的前 提之下我們將原始的 CQI 值進行以下的調整: λ =λ 1+. (3 − 11). 之後我們將利用新的. 進行我們的資源排程，演算法的虛擬程式碼如表 3-2. 中所示，主要的差異在第七到第九步驟之間。. 37.
(48) Algorithm 2:. Buffer-Awareness and adjustment of riding peaks. 1:. Set Λ be the set of all matrix valus λiu stored in decreasing order. 2:. Let R be the set if unscheduled RBs. 3:. Let U be the set of schedulable Users. 4:. ru is the numbers of RB user u already got. 5:. ru←0. 6:. cth←0. 7:. do. 8:. Adjust λiu with the corresponding user i’s weight value and store in decreasing order under the set of Λ’.. 9:. until all λiu in Λ had all been adjusted. 10: while R≠ψand U≠ψ 11: Find the corresponding user u and RB i of cth largest matrix value λij ∈ Λ , j ∈ U, i ∈ R 12: 13:. if rj ≤ Bj if Sj=ψ or RB j is adjacent to Sj. 14:. Assign RB i to User j. 15:. R=R-{i} , Bj = Bj -1 ,rj = rj +1. 16:. end if. 17:. end if. 18:. if Bj=0. 19: 20:. Λ=Λ-{j} end if. 21: end while 表 3- 2、BA-ARP 演算法之虛擬程式碼. 38.
(49) 第四章. 數值分析與模擬結果. 4.1 模擬環境與參數設定 在系統模擬部分，我們參考[15]中不同資料流的延遲額度，如表 4-1 所示，將 資料流分為 real time(RT)和 non-real-time(NRT)兩種，以展示我們的演算法可以有 效且適切的將資源分配給最急迫的用戶。. Example service. Packet Delay Budget. Conversational video. 150 ms. Real time game. 50 ms. TCP-based(e,g, www, email, chat, p2psharing). 300 ms. 表 4- 1、多種資料流之延遲額度. 表 4-2 是我們的模擬參數列表，值得一提的是，在用戶的加入與增加之上，我們 考慮了多種不同比例的 RT 與 NRT 用戶，用以驗證之前的多項討論。除了我們 提出的 Buffer-Awareness(BA)演算法與 Buffer-Awareness and adjustment of riding peaks(BA-ARP)演算法之外，我們更在模擬中加入了傳統的 Round Robin(RR)演算 法與 Greedy 演算法作為比較。. 39.
(50) Parameters. value. PHY Profile. SC-FDMA. Number of RB. 25. Total number of simulation. 15. User. 5~20. Channel estimation. Ideal. Transmission Time Interval. 1 ms. Type of system. Single cell. Subcarrier per resource block. 12. Que length. Infinite. Packet arrival distribution. Poisson. User arrival distribution. Exponential. 表 4- 2、模擬參數. 4.2 模擬結果呈現 圖 4-1 展示了在沒有考慮佇列狀態的情形之下，單一次系統分配資源與用戶 確實需求的情況，我們以原始的 greedy 演算法呈現，也就是每次排程皆追求最好 的通道品質給予狀況，我們可以明顯的觀察到若將用戶各自的需求加入排程中， 以往多數資源分配方式的研究，皆無法將資源做出適切的分配；又若無考慮用戶 的切實需求，將封包的出現視為源源不絕，是相當不符合現實狀況。由圖 4-1 中 我們可以明顯的看出，用戶編號 1、4 的 UE 皆被分配到過多的系統資源，而編號 2、3、5 的用戶則在當輪的排程當中有資源不足的情況發生，而此一狀況在用戶 增多之下，如圖 4-2 就越能看出其差別與嚴重性。合併圖 4-3 來看，圖 4-3 中展 示了在某次排程當中，被排程但未被使用的 RB 數量，以及當次排程中未被傳輸 出去的封包數量，明顯的我們可以看出，若能把資源做更適切的分配，必能大幅 降低封包在佇列中等待的時間，提升系統效率。 40.
(51) 15. RB. 10. 5. 0 1 2 3 4 5 squence of users. users_got users_needed. 圖 4- 1、原始 Greedy 演算法之資源浪費圖 I 用戶人數:5. 圖 4- 2、原始 Greedy 演算法之資源浪費圖 II 用戶人數:10 41.
(52) 圖 4- 3、Greedy 演算法中未傳送之封包數與未使用之封包數比較. 在圖 4-4 之後的模擬結果皆為多次模擬後所得到的平均數值，讓我們先觀察 圖 4-4 與圖 4-5，根據用戶的數目漸增，平均的封包延遲率也會漸增，但我們所 提出的演算法，在平均的封包延遲率上，相對於其他的算法都有大幅度的減低。 值得討論的是，圖 4-4 中，在用戶人數較少的時候，單純的 BA 演算法似乎在封 包平均延遲上會超越其他的演算法，這樣的狀況可能是由於系統中擁有較多 NRT 用戶所造成，就如我們之前所提到，如果只是單純考慮用戶的是否有傳輸需求， 系統可能會將資源分配給通道狀況較好，且佇列中有資源的用戶進行傳輸，進而 忽略掉通道狀況較差但是正在使用 RT 資料流的用戶；圖 4-5 的曲線卻無上述狀 況發生，即驗證了我們的說明，當 RT 用戶占較大比例時，我們提出的演算法明 顯表現出較好的效能，更優於另兩者傳統的排程方式，另一值得討論的部分，是 圖 4-4 中當用戶人數低於六位時，RR 演算法表現出最優的效能，我們發現在用 戶人數極少的時候，RR 演算法令所有用戶皆可以在頻譜上得到相同數目的 RB 42.
(53) 作為傳輸，不論這時各用戶使用的資料流以及封包狀況為何，因為均分了系統中 的資源，在人數少的情況下，系統中所有用戶皆可得到一相同數目的固定資源作 為傳輸，在消耗其待傳資料與資源分配上，RR 演算法容易展現出相當優勢，但 是必須注意，此一狀況僅出現於當系統用戶極少且 NRT 用戶占大多數的情境之 下，一旦用戶數目漸增或是 RT 用戶遽增，各用戶的佇列開始產生不少的封包累 積待傳，RR 演算法之效能便會迅速的降低。. 而在我們的模擬結果當中，我們所提出的 BA-AORP 演算法效能曲線，與 BA 演算法的效能曲線走勢雷同，這一現象是因為此兩種演算法皆以用戶之佇列狀態 為基底考量，但是 BA-AORP 在整體的效能上，又更勝於 BA 演算法，此一結果 印證了我們先前所提出的論點，我們幫助有急迫需要的用戶，提升其排程的優先 權順序，使其能站有更多的資源進行傳輸。 28 26. average delay time (ms). 24 22 20 18 16 RR Greedy BA BA-AORP. 14 12 10. 5. 10 15 Number of active users in cell. 圖 4- 4、封包平均延遲率 I RT 用戶與 NRT 用戶比為 2:8. 43. 20.
(54) 35. average delay time (ms). 30. 25. RR Greedy BA BA-AORP. 20. 15. 5. 10 15 Number of active users in cell. 20. 圖 4- 5、封包平均延遲率 II RT 用戶與 NRT 用戶比為 7:3 圖 4-6 與圖 4-7 展示了各個演算法的封包丟棄率之比較，圖 4-6 與圖 4-4 是同 一背景情境下所模擬出來的結果，因此關於 BA 演算法在人數較少時，顯現出較 差的效能，其原因一如我們上個段落所說明；另外在此兩張圖中，我們所提出的 BA 演算法和 BA-ARP 演算法在人數較少的時候，表現略遜色於 RR 演算法，此 一現象在圖 4-6 中特別明顯，其原因是在人數較少的時候，因為競爭較少，若是 將資源做較平均的分配，各用戶皆可在每一次的排程當中得到相同的資源塊個數 進行傳輸，若多數用戶皆為非即時性服務流之用戶，則這樣的排程方式便已足夠， 若在此狀況下額外增加即時性服務流用戶的權重，反而會造成資源分配不均與不 適切，但若觀察圖 4-7，可以發現當即時性服務流用戶為多數的背景情境下，用 戶人數較少時我們所提出的演算法會有越好的效果，越趨近於均勻分配之方法， RR 演算法的優勢在於其卓越的公平性，在人數少的時候，或許較我們提出的演 算法能更迅速的消耗用戶佇列內的封包，但是在圖 4-5 中封包平均延遲率上，依 舊展示出我們的演算法可以做出最適性的資源分配。 44.
(55) 0.35. 0.3. Packet drop rate. 0.25. 0.2. 0.15. 0.1. RR Greedy BA BA-AORP. 0.05. 0. 5. 10 15 Number of active users in cell. 20. 圖 4- 6、封包丟棄率 I RT 用戶與 NRT 用戶比為 2:8 0.4 0.35. Packet drop rate. 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1. RR Greedy BA BA-AORP. 0.05 0. 5. 10 15 Number of active users in cell. 圖 4- 7、封包丟棄率 II RT 用戶與 NRT 用戶比為 7:3 45. 20.
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