B3G無線接取網路之無線資源管理技術---總計劃(I)(電信科技合作案)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

總計劃(I)(電信科技合作案)

計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC91-2219-E-009-012- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 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，王蒞君，廖維國 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 92 年 10 月 30 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

█ 成 果 報 告

□期中進度報告

（計畫名稱）

B3G 無線接取網路之無線資源管理技術(1/3)

Radio Resource Management Technologies for B3G Wireless Access

Network (1/3)

計畫類別：□ 個別型計畫

■

整合型計畫

計畫編號：NSC 91－2219－E－009－012

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日

計畫主持人：張仲儒教授

共同主持人：沈文和教授、廖維國教授、王蒞君教授

計畫參與人員：

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告

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完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□

赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立交通大學電信工程學系

目錄

中文摘要 ……….. ii Abstract ….………. iii 1. 前言……… 1 2. 計畫目的與計畫概述 ……….. 3 3. 研究方向與研究方法 ……… 7 4. 研究成果與討論 ………. 17 5. 結論 ……… 49 6. 成果自評 ………. 50 7. 參考文獻 ………. 54

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)、移動管理及服務品質控制與協調外，亦作為各個 接取網路與核心網路的連接介面。由於各個接取網路已在單一傳播環境最佳化， 具高頻譜效率，加之利用有效的無線資源異質性整合管理，將能提供符合未來消 費者要求的品質與最廉價服務。在此異質多接取網路架構中，有效率的無線資源 管理是系統能效運作之最重要關鍵。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、結合交大四位教授之研究團隊，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。 在總計畫之模擬平台方面，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。此平台具高度變通性，可適用於CDMA-TDD、CDMA-FDD、 WLAN及OFDM-Based等異質多接取網路架構環境。 在無線資源管理技術方面，將由四個子計畫分別負責：異質多接取網路之資 源管理技術 (子計畫一)、 B3G OFDM多重接取系統設計及無線資源管理(子計畫 二) 、異質多接取網路之行動管理 (子計畫三)及無線封包網路之資源管理技術 （子計畫四），其中所涵蓋技術有：連線允諾控制、封包排程、軟性換手、 OFDM-based MAC、行動管理等。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. Also, it may be an interface between access network and core network. Many current wireless access networks are designed to operate optimally for certain environments. However, future wireless services are provided by the synergy of heterogeneous network (such as: WCDMA/WLAN or micro-cell/macro-cell). The key issue for the future heterogeneous access network is efficient radio resource management (RRM) technologies that are performed in an integrated platform. The research areas 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.

For the development of 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. While such a realistic system scenario is considered in the simulation platform, the platform will be a realistic and flexible simulation infrastructure, which can be applied to simulate the performance of CDMA-TDD, CDMA-FDD, WLAN, and OFDM-based heterogeneous access networks.

proposed: RRM technologies in heterogeneous access networks (sub-project 1), design of B3G OFDM-based multiple access systems and its RRM technologies (sub-project 2), mobility management in heterogeneous access networks (sub-project 3), and RRM technologies in wireless packet networks. The RRM technologies considered in the sub-projects are: call admission control, packet scheduling, soft handoff, OFDM-based MAC, mobility management and etc. Moreover, all the proposed RRM technologies will be theoretically analyzed and verified in the simulation platform.

1. 前言

在人類生活周遭建構一整合性無線接取世界是未來無線通訊的重要目標：依 其通訊時間、地點、移動速率、品質與傳輸速率的不同，提供使用者最符合經濟 效益、無所不在、無處不連（ubiquitous）的寬頻無線多媒體網際網路服務。建 構此無線接取世界最理想的做法是設計一全能、具高頻譜效率且在各種傳播環境 皆能有效運作的接取系統(含微、小、大、巨細胞及低、高移動速率傳播環境)。 使用者只要依其所需的傳輸速率、品質與希望價格提出要求，此全能、高頻譜效 率接取系統將可依其要求，利用最有效的無線資源管理方式提供最廉價的所需服 務。然而，在現實世界裡，由於使用者在傳輸速率與品質的不同要求以及在移動 速率、傳輸功率與電波傳播環境上的限制，設計一全能、具高頻譜效率且在各種 環境下皆能有效運作的接取系統，在可見的未來，技術上並不可行。此外，現有 第二、三代行動系統、無線區域網路、衛星系統、數位廣播系統、無線個人區域 網路系統等等在標準制定及系統建設上的已投入龐大投資，設計一全新系統以取 代舊有的所有系統，殊不可行。 建構未來 B3G 無線世界較可行的做法是如圖 1 所示：各個已在單一傳播環 境最佳化的現有接取網路，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 (seamless)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， 作有效無線資源管理、移動管理及服務品質控制與協調外，亦作為各個接取網路 與核心網路(core network)的連接介面。由於各個接取網路已在單一傳播環境最佳 化，具高頻譜效率，加之利用有效的無線資源整合管理，將能提供符合消費者品 質要求的最廉價服務。 本計畫目的為二：一是建立 B3G 異質多接取網路之模擬平台、另一則是開

發 B3G 無線異質多接取網路之無線資源管理技術，如：連線允諾控制（call admission control）、排程演算法（scheduling）、動態通道配置（dynamic channel assignment）、軟性換手演算法（soft handoff）、OFDM 多接取技術、行動管理 （mobility management）等關鍵技術。本計畫之成果報告將包括計畫目的與概 述、研究方法、與本計畫之具體成果。其中，計畫具體成果著重於本計畫所發展 之動態B3G 模擬平台的敘述，並簡述各項子計畫之具體成果。 圖 1: B3G 異質多接取整合系統 IP-based Core Network New Systems (4G) Distribution WLAN 2G/3G IEEE 802.11 HiperLAN Bluetooth Home RF DAB DVB Satellite MMDS LMDS IEEE 802.16a Services and Applications WPAN Mobile Cellular Broadband Wireless Fixed Access CCC CCC Inter-system handover Intra-system handover

2. 計畫目的與計畫概述

建構B3G (Beyond 3rd Generation) 無線接取世界之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(例如 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)、移動管理及服務品質控制與協調外，亦作為各個 接取網路與核心網路的連接介面。 目 前 異 質 多 接 取 網 路 架 構 與 無 線 資 源 管 理 相 關 議 題 主 要 在 歐 盟 IST (Information Society Technology ) 及 IEEE 802 贊助下的幾個大型研究計畫中進 行 ， 如 ：IST BRAIN (Broadband Radio Access for IP Based Network) 、 WINEGLASS (Wireless IP NEtwork as a Generic platform for Location Aware Service Support) 、 DRIVE (Dynamic Radio for IP-Services in Vehicular Environments) 、 MONASIDRE (Management of Networks and Services in a Diversified Radio Environment)、MOBYDICK (Mobility and Differentiated Services in a Future IP Network)計畫等計畫，探討方向包含：UMTS、GSM 等行動通訊系 統與廣播系統的整合技術、以及異質多接取網路與服務管理技術、移動管理與多 樣化的品質保證技術。另外，新型4G 行動通訊系統之研究全世界皆剛起步，其 中OFDM 技術最受矚目。 國內已有不少學者專家長期來致力以無線資源管理技術的研究亦累積有相 當不錯成果，但不可否認的以往的研究較無整合，或針對單一技術(例如功率控 制或換手技術)，或使用較簡化系統模型，研究成果較不易應用於實際系統中。 本計劃結合四位交大電信系學有專精師資，針對 B3G 異質多接取網路架構之無 線資源管理作深入研究，於總計畫下涵蓋四子研究計畫：異質多接取網路之資源

管理技術 (子計畫一)、 B3G OFDM 多重接取系統設計及無線資源管理(子計畫 二) 、異質多接取網路之行動管理 (子計畫三)及無線封包網路之資源管理技術 (子計畫四)等四個子計畫。 具體而言，本計劃的主要目標有二： A. 開發實用且具高變通性的資源管理模擬平台：在以往 RRM 的研究中，普 遍的缺失是所用的分析或模擬系統皆太過於簡化，以致無法反映系統當下真 實情況，所得到結果之實用性亦相對的不足。舉例而言，在以往 RRM 研究 中，模擬系統的建構大部分皆無考慮多路徑衰落影響，遮蔽衰落亦無相關， 手機不會移動，簡單之流量模型，路徑增益已知等，這些因素皆會大大的減 低其實用性。有鑑於此，本計畫之第一個目標是建構一實用模擬平台，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將考慮在內以增加 實用性，另一方面亦將藉用半解析方法以減低模擬時間。為適用於B3G 異質 多接取網路架構環境，此平台亦將具高度變通性，可適用於 CDMA-TDD、 CDMA-FDD、WLAN 及 OFDM-Based 等系統之無線資源管理研究。此外， 我們計畫將模擬平台依據模組化軟體設計概念建構，可保證模擬平台的開放 性，其他使用者可輕易能利用我們提供的平台，並做更動。此開發平台希望 能開放給國內各研究單位、學術及產業界使用。 B. 發展新型具高效能之 B3G 無線資源管理技術：在無線行動通訊系統中， 無線資源管理的目標是維持系統所規劃的涵蓋範圍(coverage)，提高系統容量 並 保 證 系 統 品 質(Quality of Service, Qos)。無線資源管理可概分為換手 (handover)，功率控制(power control)，連線允入控制 (call admission control)， 負載控制(load control) 、封包排程 (packet scheduling)及行動管理(mobility management)等功能。換手機制提供了較佳的系統涵蓋範圍、減少傳輸功率、 增加品質及系統容量；功率控制減低遠近效應(near far effect)、增加系統容

量、減低電能消耗；允入控制可調節系統負載、減少斷訊 (dropping) 機率、 充分使用系統容量，減少塞機（blocking）機率；負載控制可減低斷訊機率、 維持通訊品質；封包排程機制可調節系統負載、減低斷訊機率、增加系統容 量使用；行動管理則可利用位置信息增進資源管理效能等。有別於傳統之 FDMA 或 TDMA 系統，在未來異質多接取系統中，細胞架構/佈置、系統容 量、系統涵蓋範圍、各種資源管理功能間皆息息相關，缺一不可，無線資源 管理變的非常困難。本計畫的第二個目標是針對異質多接取系統環境提出新 型具高效率的無線資源管理技術，並在所發展之實用模擬平台上驗證。 此外，本總計畫所含四項子計畫之研究目的分別敘述如下： 1. 異質多接取網路之資源管理技術（子計劃一）：主要目的是探討 WCDMA FDD/TDD和WCDMA/WLAN之異質性多接取網路架構 下之無線資源管理技術，包括了：連線允諾控制、功率控制、動態 通道配置和換手機制。利用學理分析和智慧型控制技術來設計適用 於異質性無線網路上之無線資源管理演算法，並且在模擬平台上驗 證效能。 2. B3G OFDM多重接取系統設計及無線資源管理（子計劃二）：主 要目標將嘗試利用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 技術來設計此一高頻譜效率、高傳輸速率之 未來4G行動通訊系統。除空中介面(air interface)的設計外，特別的 我們將從無線資源管理RRM的觀點來審視各種技術可能性，進而 提出最佳的設計。 3. 異質多接取網路之行動管理（子計劃三）：設計高精確度的室內 無線定位系統及規劃。並嘗試從無線資源管理RRM的觀點，利用 不同精確度的行動用戶位置資訊，研發解決行動用戶經常跨越異質 的無線網路(屬於不同的管理者，如GPRS 與 Wireless LAN)的行動

管理的方法。

4. 無線封包網路之資源管理技術（子計劃四）：此子計畫目標將研 究一個具多媒體服務功能的行動無線網際網路 (Mobile Wireless Internet) 相關的重要無線資源管理技術。傳統無線網路的資源管理 技術並非針對Packet Switched Network設計，另一方面，目前網際 網路 也未考慮到無線通訊的特點，如傳輸通道的高位元錯誤率、 基地台的切換等因素。此子計畫針對Packet Switched IP Network 重 新設計(Power Control)和交遞換手 (Handoff) 技術，以及研究TCP 流量控制(Flow Control)和排程技術(Scheduling) 等網路技術在無 線通道的性能分析及改善方法。

3. 研究方向與研究方法

本總計畫除在計畫進行中作子計畫間協調、整合工作外，主要工作方向是協 同個子計畫進行無線資源管理模擬平台開發。本平台開發將分兩個層次進行，單 一系統的無線資源管理技術研究，及其應用模組開發在各個子計畫中進行，而模 擬平台所需基本模組及其與應用模組之整合將在總計畫進行。以下，我們將分別 針對總計畫之模擬平台和各子計畫之研究方向與研究方法依序敘述。

1. 總計畫模擬平台之研究方向與研究方法

A. 細胞架構 (Cell Structure): 根據現有文獻的分析推導，在考慮每個細胞 的大小及負載(loading)都相同時，對於某個使用者而言，來自於其他細胞的 干擾(interference)強度可達到來自相同細胞干擾強度的 33%。由此可知，在 模擬的時候勢必要將其他細胞干擾的效果考慮進去。但隨著考慮的細胞數量越 多，模擬所需耗用的時間與資源會越高，此時必須要做個取捨。此外，現有文 獻中也提到，當考慮兩個干擾層(Tiers)的其他干擾細胞時，便已經相當接近 考慮無限個干擾層的情況。因此在兼顧模擬的準確性及所需消耗的運算量，我 們決定考慮兩個干擾層細胞。依每個細胞的含蓋範圍都用一個六角形來近似的 話，我們總共有 19 個細胞的模擬環境。至於每個細胞的大小，則是由鏈路預 算(link budget)所計算出來。所考慮的 19 個細胞之配置如圖 2 所示：

(-1.5,0.866) (-3.0,0) (-3.0,-1.732) (-1.5,-2.598) (0,-3.464) (3.0,-1.732) (-3.0,1.732) (-1.5,2.598) (0,3.464) (1.5,2.598) (3.0,1.732) (3.0,0) (1.5,-2.598) (1.5,-0.866) (1.5,0.866) (0,-1.732) (-1.5,-0.866) (0,0) (0,1.732) Y X 圖2：細胞配置圖 B. 摺疊(wrap around) 技術: 由圖 2 所示的細胞架構中，可看到只有正中間那個 細胞是完整地被兩個干擾層所包圍著，其他任一個細胞向外看皆無法看到對 稱的兩個干擾層。也因此造成雖然程式總共模擬了19 個細胞，卻只有中間那 個細胞的統計值是可以被參考的，非常沒有效率。因此我們將採用了一個摺 疊的技巧，使得從任一個細胞向外看，皆可以看到完整的兩個干擾層。此技 巧的關鍵在於：在某個細胞向外兩個干擾層的範圍內，空缺的部份拿已模擬 但卻在該細胞兩個干擾層之外的細胞，將其所有的內容複製至原本那個細胞 向外兩個干擾層空缺的地方。又因每個細胞只考慮兩個干擾層，在經過巧妙 的排列後，便可以產生每個細胞向外都可以看到兩個干擾層的細胞，而且沒 有一個細胞的內容是重複的。如此一來，所有19 個細胞中的每個使用者在計 算其他細胞干擾時都完整的計算到兩個干擾層的干擾，如此19 個細胞的統計 值都是可以參考的，大大提高了模擬的效率。經過摺疊以後所呈現各細胞排 列的效果如圖3 所示，六角形中的數字代表細胞的編號。

17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 17 7 6 18 1 2 19 8 3 10 9 5 4 11 14 13 16 15 12 圖 3：摺疊技術

C. 傳播模型(Propagation Models): 包含路徑損失(path loss) 、遮蔽衰落 (shadow fading)、多路徑衰落(multipath fading)、入射角度(angle of arrival) 等效應，在以往無線資源管理技術研究中，常用的傳播模型皆屬統計模型， 此外，遮蔽衰落相關性(尤其多細胞間之相關性)皆無考慮在實際網路上應用 上較為不足。在本總計畫研究中，我們將藉用Cite-Specific 傳播模型的研 究成果配合半解析方法進行模擬系統建構，期望在實用暨模擬時間取得最 佳平衡點。

D. 資料流量模型(Data Traffic Model): 在 B3G 異質多接取網路中，最大的特色 就在於所能提供的服務不再侷限於語音，而包含了資料的傳送。但使用語音 或是資料傳送等不同服務時，其資料傳送的流量及其隨時間的變化都不相 同。甚至同樣是使用資料傳送的服務，即時資料(Real Time Data)的傳送(例如 用手機看影片)，與非即時資料(Non-Real Time Data)的傳送(例如用手機送短 訊或查資料)，其流量變化亦不相同。當系統模擬想要更精確時，這些因不同 服務所造成系統於不同時間點負載之變化起伏，便需要充分地在模擬程式中 予以反應出其對系統負載與容量的影響。在我們建立的系統模擬平台中考慮

是3GPP 所建議的模型，該模型是針對第三代行動通訊系統可能使用到的服 務所建立的。除了能模擬出不同使用者服務所需要的頻寬不同，其封包數量 與隨時間的分佈以及閱讀時間(Reading Time)等變數都有作詳細的考量。

E.

移動模型(Mobility Model)：在系統模擬中，為求接近真實環境的狀況，系

統中的使用者不旦要會移動，還要移動得合理。和在考慮路徑損失模型時 的環境一樣，本模擬平台將分別建立Indoor Office Test Environment, Outdoor to Indoor and Pedestrian Test Environment, 及 Vehicular Test

Environment 中所適合採用的使用者移動模型。在這些使用者移動模型中， 分別定義了在該環境下使用者可能的移動速度範圍,移動方向改變的機率 以及方向改變的角度範圍等。

2. 各子計畫之無線資源管理技術研究方向與研究方法

A. 異質多接取網路之資源管理技術 (子計劃一)：無線通信系統之未來發展目 標是朝向『個人化』、『寬頻』、『高移動性』之無線多媒體服務，但使 用者的服務需求和通訊設備的能力各有不同，無法以單一系統含跨所有的 發展目標，因此就有異質多接取網路(heterogeneous access network)觀念的 提出。異質性多接取網路是一整合性系統，結合了個人區域網路（PAN）、 無線區域網路（WLAN）、蜂巢式行動通訊網路（cellular network）的優點， 並且可依照使用者的通訊地點、移動速率、傳輸速率與要求品質的不同， 提供無所不在、無處不連之服務。然而，因為頻率資源極其珍貴，如何有 效管理系統資源，包括：頻譜、 傳輸功率、 無線接取控制等，讓個人化 寬頻無線多媒體服務，也能符合經濟效益，就變系統成功相當重要的課題 之一。 為了提供無線多媒體服務之服務類型多樣化、傳輸速率多樣化、以及每 種服務皆有其特定的服務品質要求，並有效預測的整合性服務資料量可之訊

務傳輸變化，避免影響數個細胞中已建立連接的使用者之服務品質。因此， 在本計畫中針對異質性網路之連線允諾控制(call admission control)進行研 究，藉以管理系統資源，並滿足正進行服務中的使用者之服務品質以及達到 系統頻譜效率的最佳化。 非對稱傳輸(asymmetric transmission)是未來無線多媒體服務的重要特性 之一，而WCDMA TDD 系統上下鏈路的傳輸速率可依照需求改變，因此相 當符合非對稱訊務量的系統之需求。TDD 系統採用 TD-WCDMA 的多重接取 技術，通道配置方式之改變，將影響無線資源配置、功率控制、細胞與使用 者之間通道配置的方式，因此動態配置將是非常重要的一個無線資源管裡的 議題。本計畫透過學理分析，設計適當的 switching point 切換演算法，以有 效依據上下鏈路訊務量作調整，最佳化系統容量。 換手機制（handoff）是 WCDMA 系統中增加系統容量，並維持服務連續 性的重要技術。在結合WCDMA FDD 和 TDD 系統之異質性網路中，換手過 程中會引發干擾雜訊瞬間劇烈變化，進而影響了封包資料的傳輸。因此，本 計畫探討干擾雜訊預估模型，以及動態通道保留演算法，確保異質性網路在 換手過程之傳輸品質。 B. B3G OFDM多重接取系統設計及無線資源管理 (子計劃二)：OFDM 是後 第三代(B3G)行動通訊系統之最重要傳輸技術，其中 IEEE 802.16a 已被視為 是戶外OFDM 高速傳輸之主流系統標準。現今 IEEE 802.11a 在無線區域網 路的應用已受到工業界與市場的矚目與熱烈迴響，而支援戶外高速傳輸之 IEEE 802.16a 系統勢必成為工業界下一波技術發展之重點。然而由於我國 無線通訊之發展較為緩慢，對於戶外之OFDM 高速傳輸系統之相關技術可 說是闕如，因此本計畫之主要目標是針對戶外OFDM 高速傳輸之多重接取 技術與所需之無線資源管理技術進行深入研究。研究內容包含允入控制， 通道分配，功率分配、控制，換手技術與封包排程等。一方面培養相關人 才，一方面補償研究單位及工業界之不足。

有別於IEEE 802.11x 系統，802.16a 為了提升系統可支援的資料流量，揚 棄了以資源競爭為基礎的多重接取技術，而採用較能充份利用無線資源的多 重接取技術-OFDM/TDMA。每位使用者在系統中被分配特定的傳輸通道，該 通道藉由OFDM 技術在實體層將對應至多個特定的子載波。在文獻[6]上，已 對多重接取的方式與子載波的分配依據有相當多的著墨，但都是在考慮使用 者不具移動性的情況下所進行的設計。 當IEEE 802.16a 系統欲支援適度的使用者移動性時，便另需依靠數種無 線資源管理技術以維持系統穩定性並改善效能，目前IEEE 802.16e 工作小組 亦正針對這些問題進行研究。首先面臨的便是隨著使用者移動所產生的通道 效應變化可能會讓使用者所使用之通道狀況惡化，目前已設計一套結合功率 分配與通道分配的演算法以改善系統效能，並另設計一通道重新分配的機制 以克服通道狀況惡化之問題。此外，在提供無線高速傳輸的連線時，如何滿 足各種不同的服務品質(QoS)需求亦是一項重要的問題。本研究計劃的內容中 亦包含了一套能同時滿足多種服務品質需求之封包排程演算法。 C. 異質多接取網路之行動管理(子計劃三)：本子計畫在 B3G 無線多接取網路 之行動管理方面探討位址追蹤與位置管理研究題目。 C.1: 位置追蹤 我们所探討的主題是室內定位(indoor geolocation)。由於室內隔間通常比 較複雜，造成嚴重的multipath 的問題，以致利用 angle of arrival (AOA)及 phase of arrival (POA)來達成室內定位均不適當，因此國外相關研究便以 time of arrival (TOA) 或是無線電訊號的強度(RSS)來達成室內定位。以 TOA 來達成 室內定位的有利用Ultrasound(如 Active Bats)、Infrared(如 Cricket)、及 RF。 以RSS 來達成室內定位則以 Microsoft RADAR 為代表。我們初步的結果是提 出一架構來整合time of arrival (TOA)及訊號的強度(RSS)的法則。此法不同於 傳 統 的 位 置 追 蹤( 如 Kalmann Filter) ， 原 因 在 室 內 移 動 的 特 性 通 常 是

quasi-stationary，傳統的位置追蹤技術並不適用。經由計畫所購置的 site planner 的糢擬，在任何狀況(包括 direct line of sight (DLOS)不存在時)，我們的定位 誤差可接近兩者的最小值。目前以進入分析及實作的階段。 C.2: 位置管理 我 们 所 探 討 的 主 題 是 以 服 務 品 質 為 主 的 位 置 管 理 的 方 法(QoS-based Mobility Management)，原因是受限於 IP 網路訊號(RSVP)在控制平面的速度， 位置管理必須能在此限制之下配合及支援服務品質。我们所針對的架構是支 援終點對終點服務品質的IP 網路，銜接 3G 及 WLAN(如下圖)。 HA AAA IWU/ FA RNC IWU

UMTS Core Network

Roaming partner AuC AAA AAA HLR HSS Wx IP Gi Gn Gr Iu Iuhl2 SGSN _GGSN/FA UTRAN WLAN1 WLAN2 Node Node AP AP AP AP Signaling Signaling and user data 基於此架構，以服務品質為主的位置管理即著眼於位於customer premise 的閘門(gateway) ，亦即著眼於 Internet Provider 的網路設備會影響網路的延 展性(scalability)。於是我们提出了僅設置在閘門的機置來降低 RSVP 訊號在 控制平面傳輸的長度，並命名為Designated Crossover Point (DCP)。DCP 運作 的原則為下: z 導引 RSVP 訊號從距離 mobile 最近的閘門至 DCP。 z 在 DCP 上轉譯 RSVP 訊號使 Internet Provider 及遠端的網路設備能已原 來的認定繼續保留網路的資源。 下圖為mobile 從網路 10.2.0.0 移至 10.1.0.0 時 RSVP 訊號經由 DCP 為轉 站的路線示意圖。

P P P P PE PE CE/FA CE/FA PE PE 10.2.0.0 10.3.0.0 10.4.0.0 (c) (a) CE CE HA CN 10.1.0.0 DCP

我们並利用alternating renewal theory 討論將 DCP 移轉至距離 mobile 最 近的閘門的最佳時機，也就是此時將 mobile 新的位置通知它的 home agent (HA)及 corresponding nodes (CN)。目前我们已將結果投稿至國外會議，並著 手進行實作部分。

D. 無線封包網路之資源管理技術(子計劃四)

D.1 高速向下連結封包存取的停滯防制機制之性能研究 （Performance Comparison of Stall Avoidance Mechanisms for High Speed Downlink Packet Access in the WCDMA System）:

在這個子計劃中，我們深入研究寬頻分碼多工存取（W-CDMA）系統 中高速向下聯結封包存取（HSDPA: high speed downlink packet access）的停 滯防止(stall avoidance)機制。停滯防止的目的在減少傳輸延遲並且保持媒體存 取控制（MAC：Medium Access Control）層的資料能夠依序的傳送到上層。 我 們 藉 由 分 析 與 模 擬 比 較 了 三 種 停 滯 防 止 的 機 制 ， 包 含 了 以 計 時 器 （timer-based）、視窗（window-based）以及指示器（Indicator-based）為基 準的停滯防止機制。為了方便比較，我們重新定義了一個新的成果指標稱為 間斷處理時間（gap processing time）。我們的結果呈現出在高斯通道的環境 中，當訊雜比（Eb N0 _）為7 dB 時，計時器基準、視窗基準以及指示器基準 的間斷處理時間分別為 8.49、36.38 以及 175.5 個傳輸時間間隔（TTI:

transmission time intervals）。在瑞雷衰減通道環境中，我們發現指示器基準 以及視窗基準的間斷處理時間分別都比高斯通道環境中的要高，而計時器基 準的間斷處理時間則沒有明顯的差別。

D.2 使用鄰近資訊與預測且適用在多媒體環境及分散式的無線區域網路通

訊協定 （NICE - A Decentralized Medium Access Control Using Neighborhood Information Classification and Estimation for Multimedia Applications in Ad Hoc 802.11 Wireless LAN）:

行動分散式區域網路(MANET: mobile ad hoc network)中媒體存取控制 協定的性質須俱備(1)符合即時節點要求的服務品質(2)分散式(3)以流量及能 量消耗的觀點達到公平性(4)對隱藏節點問題具有免役力。雖然巳有很多研究 對於 IEEE 802.11 無線區域網路協定有深入的探討，但卻很少有同時滿足上 述四項要求的協定。在此計劃中，我們所提出來的協定能夠滿足即時訊務並 滿足服務品質的要求且滿足非即時節點的公平性原則。再者我們的提案無需 任何集中式的控管，便能夠輕易的在MANET 上建立。我們針對所提出的協 定的流量建立了一個分析模型。最後根據分折模型以及模擬，比較了各協定 的流量。

D.3 高速下行鏈路封包存取的封包排程技術之研究 （Packet Scheduling for the WCDMA System with High Speed Downlink Packet Access）:

有 著 高 速 率 下 行 鏈 路 封包存取(High Speed Downlink Packet Access, HSDPA) 概念的寬頻分碼多工存取系統是一個很有希望的系統，它採用了適 應性調變技術、高效率的排程技術以及混合式的自動重送請求技術使得可以 在行動蜂巢式環境中達到高達10 Mbps 的高速率。在這些技術當中，為了增 進這種系統的效能，排程演算法則扮演著重要的角色。一個好的排程演算法 目標在於從眾多使用著中，考量到通道的影響、延遲時間之議題以及公平性 後選出最適合的使用者出來。在這計劃中，我們採用了一個公平性指標來檢 驗現有適合用在此高速率下行鏈路封包存取概念之排程演算法的公平性效 能，這些演算法包括最大信號干擾比 (maximum C/I) 排程法、知更鳥式循環

(Round Robin)排程法、比例式公平(proportional fair)排程法以及指數型法則 (exponential rule)排程法。我們發現現有的排程演算法在此公平性指標上的表 現並不是那麼公平。因此，驅使了我們提出一個新的排程演算法，叫做序列 式指數型法則(queue-based exponential rule)排程法，來提供比比例式公平排程 法以及指數型法則排程法還要好的公平性效能，並且保持高流通量以及低延 遲時間的效能。

4. 研究成果與討論

本整合型研究計畫之主要研究方向有二：實用且具高變通性的資源管理 模擬平台、以及新型具高效能之B3G 無線資源管理技術。在模擬平台方面， 結合交大四位教授之研究團隊，共同開發一套整合性模擬平台，可利用此一 平台驗證各分項子計畫所發展之 RRM 演算法。目前此一平台除了具備真實 的通道模擬模組外，網路資源管理之軟體模組有呼降允諾控制模組、功率控 制模組、軟性換手模組等，設計關鍵將詳細敘述於4.1 節。 另外，本整合型計畫之四分項子計畫分別針對 B3G 異質性網路之 RRM 演算法進行探討，包括有針對現有系統間異質性整合（張仲儒教授）、OFDM 網路（沈文和教授），異質性網路之行動計算管理（廖維國教授）以及未來 高速數據傳輸系統HSDPA（王蒞君教授）。各子計畫之結論分別節錄敘述於 4.2 節。

4.1 總計畫之模擬平台發展成果

4.1.1 細胞架構設計 在進行系統模擬時，環境考量的合理與否，以及系統參數的設定是否正 確都將直接影響研究成果是否具有參考價值。因此本模擬平台在設計細胞架 構時，除了採用第3 章所提之折疊技術外，也考量了鍊路預算(link budget)設 計。 在系統一開始準備建立時，涵蓋範圍估算是很重要的，而這個工作可以 透過鏈路預算這項工具來進行。不過要強調的是鏈路預算裡的多項參數的值 都是考慮一段時間的平均值，因此透過鏈路預算所算出的結果只能提供系統 建置初期的參考，實際的情形還是需要透過進一步的模擬才能清楚。表 4.1 是一個鏈路預算的範例，其中所列的鍊路預算範例所考慮的情況是使用者在

高速(120 km/hr)且使用語音服務(Voice Service, 12.2kbps)，並考慮接收機 (Receiver)的頻寬為 5MHz，且環境溫度在 293K(20°C)。 在鍊路預算中的每一個參數都具有其物理意義，也反映出真實系統中的 環境變因。為了要真實的模擬系統的環境，這些環境參數都必須要合理的反 應出真實的現象，才能讓系統模擬的結果更具有參考價值。本模擬平台所考 慮之環境參數如下：

z Max. mobile transmission – 手機發射訊號所能達到的最大功率，單位 是dBm。

z Mobile antenna gain – 手機天線的增益，此項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。

z Body loss – 手機發射訊號經過人體時所衰減的程度。此項為不為零時 通常代表使用者將手機貼著耳朵使用，此項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。

z Thermal noise density – 背景熱雜訊的密度與溫度呈正比關係，公式為

No=KT。T 為所考慮環境的凱氏溫度，K 為蒲朗克常數： 。

單位為(dBm/Hz)。

z Base station receiver noise figure – 在經過基地台接收機時，訊號雜訊 比會因為射頻(RF)元件的作用而引入額外的雜訊，此項代表訊號雜訊比 (SNR)惡化的程度。單位為 dB。

z Receiver noise density – 在基地台 RF 接收設備的輸出端，等效的熱雜 訊密度。單位為(dBm/Hz)。

z Receiver noise power – 在已知熱雜訊密度的情況下，考慮濾波器是理 想的情況，所收到的熱雜訊強度便是該位置的熱雜訊密度乘上濾波器的 頻寬。單位為dBm。

23

Transmitter(mobile)

Max. mobile transmission[dBm] 21 a Mobile antenna gain[dBi] 0 b

Body loss[dB] 3 c

Equivalent Isotropic Radiated Power[dBm] 18 d=a+b-c

Receiver(base station)

Thermal noise density[dBm/Hz] -173.933e => No=KT;K=1.38*10^(-23),T=293

Base station receiver noise figure[dB] 5 f Receiver noise density[dBm/Hz] -168.933 g=e+f

Receiver noise power[dBm] -101.943 h=g+10*log10(5000000) Interference margin[dB] 10 i=max. planned noise rise Receiver interference power[dBm] -92.4004j=10*log10(10^((h+i)/10)-10^(h/10)) Total thermal noise+interference power[dBm] -91.9428 k=10*log10(10^(h/10)+10^(j/10))

Processing gain[dB] 24.97971 l=10*log10(3840/12.2) Required Eb/No[dB] 0.897314m( required SIR is 1/256 in linear )

Receiver sensitivity[dBm] -116.025 n=m-l+k

Base station antenna gain[dBi] 0 o Cable loss in the base station[dB] 2 p Fast fading margin[dB] 0 q

Max. allowable propagation loss[dB] 132.0252 r=d-n+o-p-q

Coverage probability[%] 95 Log normal fading constant[dB] 8 Propagation model exponent 3.52 Log normal fading margin[dB] 9 s Soft handover gain[dB],multi-cell 0 t

In-car loss[dB] 8 u

Allowed path loss for cell range[dB] 115.0252 v=r-s+t-u 表4.1 鍊路預算範例

z Interference margin – 系統所規劃準備承受的最大干擾(Interference)強 度，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。之所以會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，此值是不會隨系統其他參數或演算法而有所改變，故以此為比較 的基準。

z Receiver interference power – 在基地台 RF 接收設備的輸出端，所規劃

承受的最大干擾強度，單位為dBm。

z Total thermal noise + interference power -在基地台 RF 接收設備的輸出

端，所規劃承受的最大干擾加上熱雜訊強度，單位為dBm。

z Processing gain – 在 CDMA 系統中，訊號由於在傳送端經過展頻而在 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(Bit rate/Chip rate)，bit rate 為訊號的位元傳輸率，chip rate 則為展頻碼的產

生速率。此項的單位為dB。

z Required Eb/No – 使用者所使用的服務所對應需要的訊號品質。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(Co-Channel)訊號所造成的干擾(Interference)密度。若我們將 Eb/No 除以 Processing gain，則代表分子乘上訊號的位元傳輸率，此時 分子便成為每秒鐘訊號平均所含的能量，也就是訊號的功率強度。而分 母乘上展頻碼的產生速率則成為了雜訊加上干擾的功率強度。由此可知 Eb/No 事實上是一個功率的比值，單位為 dB。Required Eb/No 會影響到 接收機在BER(Bit Error Rate)的表現，其之間的關係並非線性，而是需 要透過基頻(Base-band)系統模擬找出兩者對應的關係。這兩者之間的關

係會隨著傳送接收機(Tranceiver)的設計而有所不同，換句話說，傳送接

收機設計的不好時，在同樣的Eb/No 下，會造成較高的 BER。反過來

說，Required Eb/No 的設定出發點是為了要能滿足特定的 BER，因此使 用不同服務型態時對BER 的要求會不同，也連帶會使 Required Eb/No 會不一樣。

z Receiver sensitivity – 其定義式為 Required Eb/No – Processing gain + Total thermal noise + interference power。其中 Required Eb/No –

Processing gain 也就是 Required SIR，此項為滿足一定的 BER(Bit Error Rate)時所對應需要的訊號品質。Required SIR + Total thermal noise + interference power 是所需要的訊號強度，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。由此可知 Receiver sensitivity 所代表的意義便是，當系統處在最惡劣的情況時，在基地台 RF 設備的輸出端所要求訊號須滿足的最低強度，其單位為 dBm。 z Base station antenna gain – 在基地台所使用天線的增益。此值為零的

時候代表使用無指向性(Omni-Directional)天線，若不為零時則代表使用 指向性天線。通常使用指向性天線伴隨著細胞分隔(Sectorize)技術的使

用，若使用無指向性天線時則否。單位為dBi。

z Cable loss in the base station – 一般基地台的高頻設備都架在樓頂，與 機房之間有一點距離，中間會使用同軸電纜傳遞訊號，因此必須考慮訊

號在同軸電纜中有遭受到的損耗。單位為dB。

z Fast fading margin – 由於功率控制的機制會試著去克服通道衰落的影 響以期使接收訊號的訊雜比(SIR)可以維持在欲鎖定的目標，因此在接 收端訊雜比要求不變的情況下，傳送端的功率變化將會與通道衰落中的 快衰落(Fast Fading)變化的幅度一致。因此我們知道傳送端的功率將會 是在一個區間內起伏變化，雖然它的平均為零，但仍需預留一段空間確 保傳送端有足夠的空間調整功率以因應快衰落突然變嚴重。此參數在使

用者移動速度不快時特別需要考慮，因為此時閉迴路功率控制(Close Loop Power Control)機制較能跟得上快衰落的變化，因此傳送端的功率 變化會比較劇烈。至於當使用者移動速度很快時，由於閉迴路功率控制 根本無法跟上通道快速的變化，因此傳送端功率的變化幅度反而不大， 此時會直接提高Required Eb/No 來因應通道的變化。

z 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。 z 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。原因在於當使用者位在涵蓋區邊界上的不同位置 時，由於各位置與基地台之間所遭受到的遮蔽衰落(Shadow Fading)情況 都不相同，因此訊號所遭受的傳播損失亦不相同。詳細原理將在3-3 說 明。

z Log-normal fading constant – 在 3-3 將會提到遮蔽衰落的影響大小，在 統計上會呈現一個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，會根據環境不同 而有所改變。

z Propagation model exponent – 在很簡單的路徑損失(Path Loss)模型中 可將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。

z Log-normal fading margin – 前面提到遮蔽衰落的影響大小會呈現一 個Log- normal 的分佈，因此若把可容許最大傳播損失的門檻(Threshold) 設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。為了達到 Coverage probability

所要求，我們必須在所規劃的最大傳播損失中，多預留一些空間因應遮

蔽衰落的變動。由於遮蔽衰落是呈Log- normal 的分佈，因此在已知

Log-normal fading constant 時，我們便可算出所需要的 Log-normal fading margin。在下一節的範例中將會舉例說明。此項的單位為 dB。

z 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，因此等效上會有一個增益是由於採用軟式換手 技術所達成的。單位為dB。 z In-car loss – 當考慮使用者是高速移動時，使用者幾乎都是位在車輛或 是其他的載具之內，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，便是本項所代表的意義。單位為dB。

z 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。此值 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，我們便可規劃出這個基地台在滿足各種條件情況下的有效 涵蓋半徑為何。 4.1.2 系統模擬環境建立 了正確的模擬系統的運作情形，建立一個接近真實的模擬環境是非常重 要的。本模擬平台所考慮之無線通道效應根據產生的原因可以區分為三種： 路徑損失(Path Loss)､遮蔽衰落(Shadow Fading)與多路徑衰落(Multi-path Fading)。在 4.1.2.1 ~ 4.1.2.3 節中將分別詳細說明這些通道效應的模擬方法。

4.1.2.1 路徑損失模型(Path Loss Model)

的增加而衰減。本模擬平台提供三種典型的無線通訊系統環境，以及三種相 對應的路徑損失模型，分別敘述如下： z 供室內/辦公室環境使用之路徑損失模型： 此路徑損失模型是根據COST 231 所提供的量測結果所得到的，此路徑 損失模型如下： 其中 R 為訊號發射端與接收端兩點間的距離(公尺) n 為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 z 考慮行走於室內外行人之環境使用的路徑損失模型： (( 2) /( 1) 0.46) 10

37 30

( ) 18.3

n n

L

=

+

Log

R

+

n

+ + − 10 10 40 ( ) 30 ( ) 49 L= Log R + Log f + 其中 R 為訊號發射端與接收端兩點間的距離(公里) f 為訊號載波頻率(依各電信業者而有所不同,MHz) 此 路 徑 損 失 模 型 適 合 在 訊 號 沒 有 直 線 傳 播 路 徑(Non Line-Of-Sight, NLOS)時使用。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。 z 考慮使用者乘坐交通工具時的路徑損失模型： 其中 R 為訊號發射端與接收端兩點間的距離(公里) f 為訊號載波頻率(依各電信業者而有所不同,MHz) △hb 為基地台的天線高度(相對於平均建築物高度,公尺) 4.1.2.2 遮蔽衰落模型 3 10 10 10 40(1 4 10 ) ( ) 18 ( ) 21 ( ) 80

L= − × − ∆hb Log R − Log ∆hb + Log f +

根據在真實的無線傳播環境中量測得到的結果，我們知道遮蔽衰落的

變化程度統計起來是呈現 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，我們會用一個呈現 Log-normal 分佈的隨機變

擬環境而有所不同。利用一個 Log-normal 的隨機變數來產生遮蔽衰落的變 化在統計上是正確的做法，但隨著更進一步的研究，發現到在真實環境中量 測到的遮蔽衰落變化之數據，在某些方面是有相關性的。總結這些對於遮蔽 衰落相關性的研究，可以歸納出兩種遮蔽衰落的相關性類型：自相關特性 (Auto-correlation)與交相關特性(Cross -correlation)，這兩種相關特性在系統 中所代表的意義各不相同。 z 遮蔽效應的自相關模型： 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。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)，本模擬平台所用之自相關模型如下：

2 | | /

( )

k vT D D

R k

a

a

σ

ε

=

=

其中 R(k) 為兩取樣值之間的相關性 σ 為系統中統計遮蔽衰落變化得到的標準差 k 為兩取樣點所間隔的取樣次數 a 為兩取樣值間之相關常數(correlation coefficient) v 為使用者移動速度 T 為每次取樣的間隔時間 D 為經量測得知該環境之非相關距離(De-correlation Distance) ε_D 為兩取樣點相距為 D 時之自相關常數值 圖4.1 與圖 4.2 分別是有加入自相關模型與沒有加入自相關模型所產生

的遮蔽衰落效果，很明顯可以看出有加入自相關模型產生出的效果在短距離 之內的變化比較平順，和真實情況比較接近。

圖4.1 沒有加入自相關模型的遮蔽衰落效應

z 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，基於類似的理由，接下來將說明遮蔽衰落的交相關性。前面提到，真實 環境中的遮蔽物在空間上具有連續性，這可以說明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，也因此 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。這種相關性來自於訊號傳播時所共同經過的空間，因此這種相關性 的強度會隨著不同訊號所共同經歷過的傳播空間重疊性越高而越強。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)。本模擬平台中採用之模型是將接 收訊號的入射角與遮蔽衰落的交相關程度建立起關聯。 該模型之實現方法：首先定義出每個使用者要考慮連線的基地台數量 N，透過常態(Normal)分佈的隨機變數產生一組 N 個值的陣列 X，其中每個 值皆為獨立產生。藉由使用者與每個基地台的座標位置換算出基地台兩兩間 的方位角差，並透過交相關模型可找出每條連線中遮蔽衰落兩兩間的相關常 數，這些相關性常數便可組合成Y 的相關性矩陣Γ，其中 Y 便是我們最後 希望得到的陣列。 4.1.2.3 多路徑衰落模型 為 了 模 擬 出 多 路 徑 衰 落 的 效 果 ， 除 了 藉 由 通 道 脈 衝 響 應(Impulse Response)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，它假設了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。Jakes 模型在系統模擬時非常的方便，但是此模型的推導過程中 假設接收端周圍的近端反射物在二維空間的入射角是均勻的，此種假設與真 實環境並不符合。此外，在真實環境中訊號入射的方向並不侷限於二維的平 面，而是有可能從三維空間中各個角度入射，此效應在Jakes 模型也並未考 慮。由於 Jakes 對於近端反射物分佈的假設，導致了所產生出通道響應

(Channel Response)的功率頻譜密度(Power Spectrum Density)中，功率頻譜都 集中在最大都卜勒偏移的頻率位置，這一點是與真實情況相差最大的地方。

圖4.3 比較使用 Jakes 模型與 Filtered AWGN 所產生的通道功率頻譜

在圖 4.3 中可觀察到由 Jakes 模型所產生的通道之功率頻譜都集中在最

大頻率偏移處，而在真實環境中所觀察到的通道功率頻譜卻是比較平均分佈

AWGN 方式所產生的通道效應之功率頻譜，可以觀察到此方法所產生的通 道效果會比較接近於真實環境中所遇到的情況。

Filtered AWGN 產 生 的 方 式 是 藉 由 一 個 隨 機 變 數 來 產 生 AWGN (Additive White Gaussian Noise)的效果，將其輸入一個數位低通濾波器後得 到的輸出，便作為通道的響應。此方法的概念很簡單，但在系統模擬時需要 針對模擬時所需的輸出速率來設計相對應的數位濾波器。此低通數位濾波器 的頻寬則設為最大的都卜勒偏移頻率，至於數位濾波器可選用典型的 IIR(Infinite Impulse Response) Chebyshev 濾波器即可。

藉由Filtered AWGN 來產生通道快衰落(Fast Fading)的效應，不但較接

近於真實環境之效果，在系統模擬時也較節省運算量（圖4.4）。

圖4.4 Filtered AWGN 所產生的衰落效果

4.1.3 使用者行為模擬

使用者移動的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都不

相同，而這也間接的會影響到系統中干擾強度的水平(Interference Level)。於 本模擬平台中，我們考慮了室內（indoor）、都會區（Manhattan street）、與 大細胞中車輛移動的環境模型。

另外，在使用者資料流量模型方面，我們考慮語音與數據服務。 z 語音服務流量模型(Voice Service Traffic Model)

根據統計的結果，使用者進入系統的每個時間點會是一個 Poisson 的流

程，而每使用者進入系統時間點的間距是呈現Exponential 的分佈。此外，每

個使用者的平均通話時間也是呈現Exponential 分佈，且使用者通話過程中若

沒有講話時，手機會暫時停止發送訊號(Silent State)，故此時將不會造成其他 使用者的同頻干擾(Co- Channel Interference)。

圖4.6 語音服務流量模型 圖 4.6 所 示 為 使 用 語 音 服 務 時 所 造 成 的 資 料 流 量 模 型 。 其 中”Active(ON)”的時候代表有訊號發出，此時代表的是發話端或受話端正在 講話，因此有相對應的資料流量產生。而在”OFF”的時候，則代表當時並沒 有訊號需要傳送(使用者沒有講話)，因此發射端不會送訊號出來，也就不會 造成其他使用者的干擾。因此我們可知，使用者的資料流量模型所對應到的 便是在空中介面(Air Interface)中，屬於該使用者的訊號傳送與否的變化。因 此使用者的資料流量模型將會被用來反映每個使用者發出訊號與否，藉以模 擬出在每一個時間點中，整個系統中的干擾強度變化。

Active (on) off

Exponential distribution

Poisson arrival

z 數據服務流量模型(Data Service Traffic Model)

目前在第二代或第二點五代系統中所提供的數據服務都集中在存取網際 網路(World Wide Web, WWW)上的資料。雖然上網的平台是透過行動通訊網 路 ， 但 根 據 相 關 的 研 究 顯 示 ， 其 數 據 資 料 流 量 的 特 性 與 有 線 網 路 中 以 IP(Internet Protocol)封包傳送網際網路資料時的特性相同。因此我們採用 UMTS 規格書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的，如圖4.7 所示。

此模型中有數個重要的參數需設定：

z Session arrival time: 使用者開始使用數據服務的時間點，和語音服務

一樣，這些時間點的產生是依據Poisson 流程。不過當系統中同時有使

用數據服務與使用語音服務的使用者時，使用者開始使用服務的起始時 間點是分開產生的。

z Number of packet calls per session (Npc): 使用者上網瀏覽資料的過程 中所閱讀的網頁數目。這個參數表示該使用者此次上網一共會瀏覽幾個

不同的網頁。這個值的產生是透過一個Geometric 的隨機變數，而參考

的平均值則是根據現行系統中所統計的結果。

z Reading time between packet calls (Dpc): 使用者在閱讀一個網頁所需

耗費的時間。此參數經統計是呈現Exponential 的分佈，但在系統模擬

時我們會將時間的最小單位訂為一個時槽(Time Slot = 0.667ms)。故此 值會用一個Geometric 隨機變數產生，單位是時槽。

z Number of datagrams within a packet calls (Nd): 下載一個網頁時所包 含的檔案數目。一個網頁之中是由許多小檔案組合而成的，下載網頁時 會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Geometric 隨機變數產生，參考的平均值是根據真實系統統計而得。

案依序下載時彼此間隔的時間。系統會分別將構成網頁的小檔案下載到 手機上，因此每個小檔案在被傳送之間是有空檔的，這個間隔時間也是 以時槽為單位，透過Geometric 隨機變數產生而得。

z Size of datagrams (Sd): 每個小檔案的大小，單位為 bytes。此參數經統 計是呈Pareto 分佈。因此需透過一 Pareto 隨機變數來產生此項參數。 1. 在使用不同資料傳輸率時，使用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要花的時間不一樣。至 於使用者所需要的閱讀時間以及每次使用者下載的網頁數目 並不會因此而有所改變。圖4.8 所列出的是當使用不同資料傳 輸率時，數據資料流量模型所對應的參數平均值：

Time

First Packet Call Second Packet Call Third Packet Call

Interval Between Packets Interval Between Packets Interval Between Packets Reading Time Reading Time

End of Packets in First Packet Call

End of Packets in Second Packet Call

End of Packet Calls in this Session ( Session Over ) Session Arrival

End of Packets in Third Packet Call

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4.8 不同資料傳輸率所對應之數據資料流量模型參數 4.1.4 系統模擬程序設計 在通訊系統的模擬方法中，最常見的有兩種方式。第一種是事件驅動(Event Driven)， 第二種則是時間驅動(Time Driven)。以事件驅動的方式來進行系統模擬適合使用在所需要 模擬的變數並無週期性的變化，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。舉例來說，在進行允諾控制(Admission Control)相關研究時，在不考慮 使用者移動性的情況下，只需模擬有使用者要進入系統時刻的系統狀態，並將這些資訊提 供給允入控制演算法做判斷便可。由於新使用者並非週期性的到達，而是依據 Poisson 流 程，因此系統不需要去模擬沒有新使用者到達時系統的狀態。也就是說，系統所需模擬的 時間點是根據”新使用者到達(New Call Arrival)”這個事件的發生而決定，換個角度來看， 這個模擬系統的運作是由”新使用者到達”這個事件所驅動的，也就是所謂事件驅動的系統 模擬。 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 動方式進行系統模擬以定期去執行某些功能或是調整系統中某些變數，可以降低邏輯上的 複雜性且使得程式中的變數變化有很明確的時間參考做為依據。舉例來說，在第三代行動 通訊系統中的功率控制每個0.667ms 就要執行一次，這個時間的依據是來自於每一個時槽 (Time Slot)中皆含有一個功率控制的命令(Command)，因此每隔 0.667ms 就會執行一次功 率控制。因此在模擬功率控制這種週期性的行為時，便採用時間驅動的概念來設計系統模

擬程式，以簡化模擬程式的複雜度。

但在本系統模擬平台之中，由於整合了多種無線資源管理的演算法，其中有的可以採 用事件驅動的方式去模擬，有的則適合採用時間驅動的方式去模擬。因此我們在設計系統 模擬平台時同時結合了這兩種系統模擬的概念，並將各種不同的演算法結合在一起，如此 可以同時兼顧這兩種方法的優點。在系統模擬平台中關於新使用者到達(New Call Arrival) 與相關的允入控制的演算法只有在事件發生時才會被啟動並執行，其它時間並不會去執行 相關的功能以節省運算資源並縮短運算所耗費的時間。而除了之前面提及功率控制演算法 因為是週期性的執行因此適合採用時間驅動外，此系統模擬平台中由時間驅動同時也是最 重要的功能便是與環境變數相關的參數更新功能。這些功能週期性的去更新環境相關的參 數，以反應出系統隨著時間的改變所相對應的環境變化。 Time ( t )

Shadow Fading Update

Mobility Update

System initialization t = 0

New Call Arrival

Call Departure

圖4.9 系統模擬邏輯示意圖

圖4.9 說明整個系統模擬程式運作邏輯概念：橫軸所描繪的是邏輯上時間的增加，而

每個箭頭則代表某個事件的發生，這裡先同時列舉出幾個事件以說明此程式設計的理念。

系統模擬程式的啟動是伴隨著第一個使用者的產生，在圖4.9 的最左端上半部那個指向下

的箭頭便是代表”新使用者到達(New Call Arrival)”事件的發生。隨著時間的增加，背景環 境的參數會定期的變化以反映出環境的變化，而在圖中自第一位使用者到達後系統發生的 下一個事件便是遮蔽效應衰落的變化。可以觀察到遮蔽衰落的效果每隔一段時間改變，代 表系統環境的狀態隨著時間而改變。在圖中遮蔽衰落變化了幾次後便發生了第二位使用者 到達的事件，此時系統便會開始處理第二位新到達的使用者，並將增加這位使用者對系統 造成的影響給解算出來並反映在相關的參數上。緊接著在還沒到達下一個遮蔽衰落變化之

前，第三位使用者便已經到達。隨著時間的前進，系統中遮蔽衰落的影響程式又改變了兩 次，之後便發生了”使用者離開(Call Departure)”的事件，此時程式會將使用者離開所造成 的影響給算出來並反映在相對應的參數上。而隨著更往前進一段時間，發生了使用者”移 動狀態變化(Mobility Update)”的事件，之後還有更多相對應的事件會在所設定的時間點發 生，而程式中所模擬的時間也隨之不斷向前推進。每當特定的事件在特定的時間點發生 後，程式便會執行該事件所對應的動作或演算法，並將結果反映在相對應的參數之中。換 句話說，每個事件會將其對應動作或演算法執行的結果反映在系統或環境的參數之中，而 每個事件在執行相關的動作時，也是依據當時系統或環境的參數來做出相對應的判斷。每 個事件與各個參數之間不斷的交互影響，便構成了系統隨著時間運作的依據。 在圖4.9 中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。而在圖 4.9 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。但同樣是時間驅動的事 件，根據其特性的不同，我們特別設計使每個事件都有其各自發生的週期，以增加系統運 作的效率。在圖4.9 只列出了幾個模擬程式中其中幾個事件，接著要說明在程式中所有的 事件，與每個事件中所對應的功能與相關的設計：

z New Call Arrival: 產生新的使用者。此事件發生時會產生一個新的使用者進入系 統，同時要將該使用者相關的資訊初始化，包括了座標､使用服務形態､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Poisson 流程所決定的，可知此事件並非週期性的發生。伴隨著新使用 者的產生，透過細胞搜尋(Cell Search)才能讓新使用者找到訊號品質最佳的基地 台以開始進行連線。而接著透過允入控制的機制以決定是否能讓新使用者進入系 統，若使用者進入系統則需要將該使用者造成系統干擾強度增加的效果反應在系 統環境參數中。 z Call Departure: 系統中使用者結束使用服務並離開系統。此事件是針對使用語 音服務的使用者，因為使用數據服務時，使用者待在系統的時間並不是一個單純 的機率分佈，因此不容易事先算出。發生此事件時程式會將與該使用者相關的參 數自記憶體移除，並在統計順利完全服務使用者的參數上加1。 z Traffic Update: 更新使用者資料流量的狀態。此事件發生時，程式便會根據該使 用者的資料流量模型來判斷是否應該更新該使用者的資料流量狀態，以藉由此方

法在程式中產生使用者資料流量變化的效果。 使用者在該時間點的流量狀態會影響到當時系統干擾的強度。換句話說，每 個使用者資料流量的變化將會反映在系統中干擾強度的變化，進一步影響到系統 其它功能與演算法運作的結果。 若程式發現該使用數據服務的使用者已經傳送/接收完所有的封包資料時， 也會將該使用者比照成結束服務並離開系統的情形。程式將會自記憶體移除關於 該使用者的參數，且在統計順利完全服務使用者的參數上加1。 z Shadow Update: 更新系統內每個連線所遭受遮蔽衰落的狀況。隨著使用者位置 的改變，所遭受的遮蔽衰落也會隨著改變。但考慮遮蔽衰落的自相關模型時，我 們可以假設當遮蔽衰落的自相關性仍高於一定程度時，其值是不變的，因此可以 求得一個相對應的參數更新週期。舉例來說，若在兩不同位置遮蔽衰落彼此間的 相關性常數高於0.95，我們便假設使用者在此兩點範圍內所遭受到的遮蔽衰落皆 相同。 z Mobility Update: 更新系統內與使用者移動性相關之參數。需要更新的參數為使 用者的座標位置以及使用者移動的速度與方向。新的座標是由前一次的座標加上 這段期間使用者在X 軸與 Y 軸移動的距離，而移動速度與方向的更新則是根據 使用者移動模型來決定。由於這幾項參數最主要的影響是在路徑損失的效果上 面，因此當使用者每移動一定的距離後再更新便可，不需要太密集的去更新這些 參數。若考慮該環境非相關距離為20 公尺且使用者移動速度為 40km/h 時，使用 者需花費1.8 秒才能移動 20 公尺，因此程式此時便以 1.8 秒作為更新使用者移動 性相關參數之週期。 z Handover Update: 更新使用者換手機制相關之參數。系統會週期性的去偵測目 前使用者連線品質的狀態以作為換手機制運作的參考，若是訊號品質到達某個標 準，換手機制便會調整相對應的參數。舉例來說，系統設定每1 秒會檢查目前使 用者與每個基地台間訊號品質狀態，則每當此事件發生時，系統所量測出使用者 至每個基地台連線的品質便會輸入至換手機制演算法中以決定是否更新相關的 參數，若某個基地台的訊號強度高過目前連線基地台的訊號強度，則系統便可能 會將使用者的連線轉移至具有較強訊號的基地台。 z Outage Update: 系統每隔一段時間便確認各使用者連線的品質是否滿足最低要 求，否則便將使用者的服務強迫中斷。此事件通常是每個時槽(Time Slot)或是每