在LTE-Advanced Relay網路中利用調適性GREEN運作達到節能之研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University . 碩士論文 Master’s Thesis. 政治大. 立在 LTE-Advanced Relay 網路中利用. ‧ 國. 學. 調適性 GREEN 運作達到節能之研究 . ‧. . Nat. io. sit. y. Energy Saving of LTE-Advanced Relay Network by n. er. Adaptive a l GREEN Operations iv n Ch engchi U. . 研究生：黃柏硯指導教授：張宏慶 . 中華民國一百零二年七月 July 2013.

(2) 在 LTE-Advanced Relay 網路中利用調適性 GREEN 運作達到節能之研究 Energy Saving of LTE-Advanced Relay Network by Adaptive GREEN Operations. 研究生：黃柏硯指導教授：張宏慶. Advisor: Hung-Chin Jang 政治大. 國立政治大學. 學. ‧ 國. 立. Student: Po-Yen Huang. y. sit. io. er. Nat. 碩士論文. ‧. 資訊科學系. al. n. v C h A Thesis U n i engchi Submitted to Department of Computer Science National Chengchi University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Computer Science . 中華民國一百零二年七月 July 2013 ii .

(3) 致謝時光飛逝，兩年的碩士生活即將畫下句點。感謝這段日子中陪伴在我身邊的所有人，給予幫助讓我得以完成此論文。首要感謝我的指導教授張宏慶博士，在學術及研究上的專業指導，以及在生活上的自由，讓我可以自行規畫生活，培養健全的人生，並時常給予我鼓勵，讓我順利的完成論文。感謝實驗室中一起奮鬥的每個夥伴，建彪、鐘毅、昀峻、佩璇學長姐們在專業知識及研究上的討論及帶領我快速融入研究室的生活；感謝偉迪、華元、博為、欣儒一起在研究室討論及研究，度過無數個充實且歡樂的日子與夜晚，並帶來許. 政治大還有身體上的活動及鍛鍊，給予我應付這段時間的體力；感謝別實驗室的思偉邀立. 多讓我難忘的活動回憶；感謝自由搏擊社的每個人，讓我除了有學術上的研究外，. ‧ 國. 學. 請我參與各種活動，讓我的研究生生活更加多采多姿；感謝涓郡及聖耀在我最不擅長的語文領域上給予專業協助；感謝我的女朋友欣薇一直陪伴與鼓勵我，並在. ‧. 我遇到困難時與我討論解決每個難題。. sit. y. Nat. 最後，感謝我的家人，給予我精神及經濟上的支持，讓我能毫無後顧之憂的. n. al. er. io. 專心完成我的論文，不用擔心其他外務。經過了這兩年碩士生活的磨練，未來相. i Un. v. 信我可以積極的面對各種挑戰，感謝這些日子以來幫助我的你們。. Ch. engchi. iii .

(4) 在 LTE-Advanced Relay 網路中利用調適性 GREEN 運作達到節能之研究. 摘要在現在每個人都擁有複數上網裝置的時代，由數據顯示整個行動網路產業的能源消耗會以倍數增長，並且成為世界消耗能源的重要因素之一。這樣的需求也反應到無線通訊技術上。. 治政 LTE-Advanced 發展許多技術用以解決頻譜不足以及訊號衰減的問題。中繼技大立術(Relay)是 LTE-Advanced 系統的一個重要功能，它的功用是讓 LTE-Advanced ‧ 國. 學. 系統可以藉由它增加系統的容量，並提升頻譜使用效率以及覆蓋率，增加 BS 覆. ‧. 蓋範圍，並且也可以降低基地台的負擔，間接達到節能的效果。LTE-A 系統考慮. sit. y. Nat. 了 RS (Relay Station)的配置，當 RS 的引入在改變網路結構的同時，它可以滿. io. er. 足基地台的基本運作功能，並與基地台配合，有效降低整個網路系統的建置成本。本論文提出一個 Adaptive BS/Relay Switch GREEN System (ASGS)的方法，主. al. n. iv n C 要探討如何建置一個 BS 與 RS 相互合作的基地台建置。由於 RS 的建置成本與消 hengchi U 耗能源與其他種類基地台相比相對較低，加上傳輸模式是以無線方式傳送，搭配. LTE-Advanced 的 CoMP 中的聯合運作(Joint Processing)概念能更加事半功倍。所以在我們的方法裡，我們利用 RS 來取代 BS 藉此降低成本及耗能，並利用 RS 的特性增加訊號品質。另外針對此建置模式設計一個符合此建置的決策方式來開啟及關閉基地台，藉由這些方式不但能維持一定的 QoS 水準，並能達到節能的目的。由實驗結果證實，我們提出的方式能以犧牲少許吞吐量(Throughput)，達到大幅節省能源損耗的目的。. iv .

(5) Energy Saving of LTE-Advanced Relay Network by Adaptive GREEN Operations. Abstract In this era, everyone has more than one device to connect to the Internet. Data shows that the operations of mobile communication network has consumed energy more than ever before. LTE-Advanced has been invented to solve the problems of spectrum shortage and fading signals. Relay station (RS) serves as an important role of LTE-Advanced, which allows the system to increase system capacity, enhance spectrum utilization, extend BS coverage, and reduce the power consumption on base station. The network topology of LTE has been changing by adding RS in LTE-Advanced. RS costs much less and has the basic function of base station. RS is able to cooperate with BS in system functioning. This paper proposes an Adaptive BS/Relay Switch GREEN System (ASGS), aiming at reducing power consumption through the cooperation of BS and RSs. In the proposed method, RS simulates Joint Processing of CoMP. We design a decision function to turn on and off BS/RS to optimize energy usage. Simulation results show that ASGS could effectively save mass energy at the cost of less throughput.. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v . i Un. v.

(6) . 目錄第一章緒論 ............................................................................................ 1 1.1 背景簡介 .................................................... 1 1.2 LTE-A 介紹 .................................................. 2 1.3 載波聚合(Carrier Aggregation) ............................... 5 1.4 多點協作傳輸(Coordinated Multipoint Transmission) ........... 6 1.5 中繼技術(Relay)與中繼站分類 ................................. 9 1.5.1 中繼站主要功能....................................... 9 1.5.2 RS 功能層級分類與拓樸架構 ............................ 9 1.5.3 RS 與 BS 的資源管理模式 .............................. 11 1.6 MIMO 技術簡介 .............................................. 12 1.7 研究動機................................................... 16 1.8 論文架構................................................... 17 . 立. 政治大. ‧ 國. 學. 第二章相關研究 .................................................................................. 18 . ‧. 2.1 現行行動網路耗能概況...................................... 18 2.2 BS 的睡眠模式 ............................................. 19 2.3 細胞縮放.................................................. 20 2.4 細胞網路架構.............................................. 22 . sit. y. Nat. io. al. er. 第三章研究方法 .................................................................................. 26 . v. n. 3.1 問題分析................................................... 26 3.2 方法論..................................................... 26 3.2.1 開關決策............................................. 27 3.2.2 基地台配置與決策模式................................. 30 3.3 能量消耗計算............................................... 35 3.4 Adaptive BS/Relay Switch GREEN System (ASGS)............... 37 3.4.1 ASGS 運作方式 ........................................ 37 3.4.2 ASGS 決策方式流程圖.................................. 38 . Ch. engchi. i Un. 第四章模擬實驗與結果分析 ............................................................... 40 4.1 模擬流程................................................... 40 4.1.1 各細胞間人數生成及分配 ............................... 40 4.1.2 決策方式與使用者分配................................. 41 4.2 基地台全開設計比較......................................... 41 4.3 模擬實驗 ................................................... 42 i .

(7) . 4.4 實驗結果 ................................................... 48 . 第五章結論與未來研究 ...................................................................... 50 5.1 結論....................................................... 50 5.2 未來研究................................................... 50 . 參考文獻 ................................................................................................ 52 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. ii . i Un. v.

(8) . 圖目錄. 圖 1.1 BS 透過 RS 傳輸與直接傳輸示意圖................................ 4 圖 1.2 多點協作通訊系統示意圖 ....................................... 6 圖 1.3 Joint Processing ............................................. 8 圖 1.4 Coordinated Scheduling/Beamforming ........................... 8 圖 1.5 穿透式中繼站 ................................................ 12 圖 1.6 非穿透式中繼站 .............................................. 12 圖 1.7 SISO, SIMO,MISO,MIMO 示意圖.................................. 13 圖 1.8 經過發射、折射形成多個 Gaussian 通道 ......................... 14 圖 1.9 無線系統在空間中所面臨的問題 ................................ 15 圖 1.10 蜂巢佈局圖................................................. 15. 政治大. 圖 2.1 典型無線細胞網路的能源消耗 .................................. 19. 立. ‧. ‧ 國. 學. 圖 2.2 基地台消耗能量分析 .......................................... 19 圖 2.3 藉由細胞縮放實行基地台局部關閉的運作方式 .................... 20 圖 2.4 藉由 BS 與 RS 之間合作達到細胞放大 ............................ 21 圖 2.5 六角形全方位天線式細胞 ...................................... 22 圖 2.6 十字路口(圓形)全方位天線式細胞............................... 23 圖 2.7 六角形指向性天線式細胞 ...................................... 23 圖 2.8 曼哈頓型(直線)細胞 ......................................... 24 圖 2.9 曼哈頓型(方格)細胞........................................... 24. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. i Un. v. 圖 3.1 圖 3.2 圖 3.3 圖 3.4 圖 3.5 圖 3.6 圖 3.7. 各時段流量動態變化 .......................................... 28 各 Cell 編號圖 ............................................... 30 f(n)=1 時， BS 及 RS 開關狀態圖 ............................... 31 f(n)=2 時 , BS 及 RS 開關狀態圖 ............................... 32 f(n)=3 時， BS 及 RS 開關狀態圖 ............................... 33 f(n)=4 時， BS 及 RS 開關狀態圖 ............................... 34 ASGS 決策流程圖.............................................. 39. 圖 4.1 圖 4.2 圖 4.3 圖 4.4 圖 4.5. 各 cell 之編號 ............................................... 40 比較方式(全開) ............................................. 42 各 cell 流量變化(平日) ...................................... 43 各 cell 人數變化(週末) ...................................... 44 一日總能源消耗比(平日) ..................................... 45. engchi. iii .

(9) . 圖 4.6 一日總能源消耗比(週末) ..................................... 46 圖 4.7 一日總吞吐量比(平日) ....................................... 47 圖 4.8 一日總吞吐量比(週末) ....................................... 48 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iv . i Un. v.

(10) . 表目錄. 表 3-1 辦公區及住宅區流量變化關係 .................................. 26 表 3-2 各決策方式與基地台間對應關係 ................................ 30 表 4-1 模擬環境參數 ................................................ 42 表 4-2 平日及假日消耗能源與總吞吐量平均比 .......................... 49 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v . i Un. v.

(11) . 第一章緒論 1.1 背景簡介在這個資訊與通訊科技爆炸性發展的時代，隨著網路快速發展，使用者日益增加，而能使用上網的裝置也不再侷限於電腦，手機、平板電腦甚至是衛星導航等。為了達到好的服務品質(Quality of Service, QoS)，每個基地台無時無刻都在全力運作提供服務。但有些時段的使用者沒有預期的多而造成一些能源的浪. 政治大. 費，所以需要較完善的方法來改善這些情況。. 立. 在綠色無線通訊中，主要的網路設計期望在減少能源消費總量的同時，維持. ‧ 國. 學. 令人滿意的服務品質(QoS)。在全球的能源消耗結構中，資訊和通信技術(ICT）產業，已成為全球能源消費(2-10％)的重要來源之一，並且在未來會進一步增加。. ‧. 在已開發國家中，除了手機普及率近乎 100%之外，一人更可能擁有複數的行動. y. Nat. sit. 裝置。而現今世界上最大的行動通訊市場 - 中國，在 2010 年年底有 860 萬的行. n. al. er. io. 動裝置，其中 300 萬有連接到 Internet。中國三大耗能營運商在 2009 年統計能源. Ch. i Un. v. 消耗達到 289 億千瓦小時，比起 2008 年已經增長超過 25％。然而，在中國的手. engchi. 機普及率仍只有 64％，這仍是低於開發中國家水平。也就是說，行動通訊在未來幾年內會呈現指數增長的趨勢。因此，對於環境和經濟議題而言，能源消耗是關注的重要議題。針對我們現今的行動網路能源使用倍增的狀況下，我們根據目前最新的 LTE-A 網路來做考量與設計，運用專屬於 LTE-A 的 Relay Station 建置一個符合我們需求的基地台聯合運作系統，並結合協調式多點傳送 (Coordinated Multi-Point Transmission, CoMP)的概念讓整體效能不會為了節能而降低 QoS；並設計一個專屬的決策方式決定各基地台間的開關狀態以達到我們的目標。. 1 .

(12) . 1.2 LTE-A 介紹隨著全球通訊技術的快速發展， 3GPP 組織發起通用移動通信系統 (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)的長期演進(Long Term Evolution, LTE)技術，與3GPP2的移動超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)技術合稱為3G演進技術。為了實現更高的傳輸速率，在無線電介面(Air Interface)的無線傳輸技術部分，3GPP的LTE和3GPP2的Ultra Mobile Broadband(UMB)都選擇使用 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) ，以及多天線 (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術。目前的3GPP LTE、WiMAX、IEEE. 治政 802.20移動寬帶無線接入，都已經具備了4G的相關特性，因此可以將這些技術看大立成準4G技術。 ‧ 國. 學. LTE-A為3GPP所提出的IMT-Advanced下世代傳輸標準所制定的協定，並且要. ‧. 能向下與2G與3G以下的GSM傳輸系統相容。並要求在100MHz的頻寬內在靜止狀態. io. er. 則需達100Mbps，在移動速度350Km/hr狀態下不斷線。. sit. y. Nat. 時，傳輸速率在下載時需達1Gbps、上傳時需達500Mbps；在120Km/hr移動狀態時. BS 的涵蓋範圍在直線傳播(Line of Sight, LOS)狀態時，最大可達到 100km；. al. n. iv n C 在非直線傳播(Non Line of Sight, h eN-LOS)狀態時，會依照不同規格參數與環境 ngchi U. 而有所不同，範圍約介於 0.5km 到 2km 之間。LTE-A 允許更大的頻帶(bandwidth)，最低限制為 40MHz，最大可達 100MHz。符合 LTE-A 需求的頻帶多數屬於高頻譜區頻帶，而因為使用高頻譜傳輸(3~5GHz 區段頻譜)比低頻譜(2G 或 3G 通訊系統主要使用的 1GHz~3GHz)有更嚴重的衰減性能，故 LTE-A 發展許多技術以解決頻譜不足以及訊號衰減的問題。LTE-A 的幾個主要關鍵技術如下: (1) 載波聚合(Carrier Aggregation, CA) LTE-A 當前最大可支援 100MHz 頻帶，以滿足峰值速率(peak data rate) 要求。然而在現有的頻譜資源中很難找到如此大的頻帶，因此需要一種能充. 2 .

(13) . 分利用分散在多個頻段上的頻譜資源之技術，此技術稱為載波聚合。 (2) 多點協作(Coordinated Multi-Point, CoMP) 現行的行動通訊系統中，單點傳輸(single-node transmission)意指使用者所接收的資料來自某一個基地台。當使用者在細胞中心(cell center) 靠近基地台時，尚可保持一定的通訊品質，然而當使用者移動到細胞邊緣 (cell edge)時，因為遠離基地台造成訊號減弱，再加上細胞間彼此干擾的問題，使得訊號雜訊比(Signal to Noise Ratio, SNR)下降，進而使得通訊品質劣化，以及資料吞吐量(throughput)降低。CoMP 技術可以提昇細胞邊緣使用效率，並且增加該處系統的吞吐量。此技術是建立在多傳輸點間的彼. 治政此協調合作機制，以及在需要許多使用者回報通道資訊的情況。不同操作類大立型如協同傳輸或輪流傳輸等，與不同的回報方式直接影響營運花費 ‧ 國. 學. (overhead)的多寡以及系統效能。因此針對每一種類型的傳輸模式尋求最有. ‧. 效率的回報方式來達到最佳的系統性能，是重要的研究課題。協調式多點傳. sit. y. Nat. 送與接收之技術的優點可以增加細胞邊緣使用者的傳輸率，亦可增加整體系. io. 基地台間能以更快的速度交換資料。. n. al. (3) 中繼技術(Relay)。. Ch. engchi. er. 統的傳輸率，其缺點是需要更複雜的排程方式，以及更快速的後端網路，讓. i Un. v. 中繼站(Relay Station，RS)是建置於基站(Base Station，BS)傳輸系統中，採用階層式架構，以配合各種不同的區域條件配置不同服務，提升系統使用效率與品質。BS 與終端用戶(User Equipment，UE)藉由 RS 來傳遞無線訊號，可使 UE 有更好的接收品質。由於 LTE-A 使用 Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA)技術，BS 在不使用 RS 的情形下，只能使用功率與頻譜控制，因此 BS 的中心區域與邊緣區域的傳輸速率會有極大的差距。LTE-A 雖採用穿透力高的不同頻譜，或發送高功率的方式來因應邊緣區域 UE 的傳輸，但仍受到路徑損耗或建築物屏蔽效應等因素. 3 .

(14) . 的影響，該 cell 中心與邊緣區域傳輸速率可達到 30 倍以上的差距，而在高功率的傳輸過程中，將對 cell 中其餘的用戶產生干擾。使用密布的 BS 除了加重布建成本負擔，也可能造成各種訊號干擾及資源閒置的問題。為了使 BS 中的資源配置更為靈活以及讓無線資源做更有效的分配，我們可以利用 RS 的特性將 BS 用來規劃大範圍的區域服務，RS 用來提升 cell 範圍中的容量或整體覆蓋率。例如邊緣區域可讓 RS 與 UE 使用相同的頻譜，RS 與 UE 的傳輸只需要調整適當的功率增益，即可達到提升傳輸速率及降低對 BS 內 UE 干擾程度的問題。相同的資源配置也可以使用在頻率分配上，將穿透力高而傳輸速率低的頻率用於遠距離的區域傳輸，而傳輸速率高卻穿透力差的頻率. 治政可用於近距離的傳輸。BS 直接傳輸與透過 RS 傳輸給用戶的差別如圖 1.1 所大立示。 ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.1 BS 透過 RS 傳輸與直接傳輸示意圖[1] (4) 多輸入多輸出技術(Multiple-Input Multiple-Output) MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)多輸入多輸出技術，廣泛應用於無線區域網(WLAN)、無線都會網(WMAN)和移動通訊蜂巢系統上，也可以應用於 RFID、移動衛星電視等方面。MIMO 還包括 SIMO (Single-Input Multiple-Output)、MISO (Multiple-Input Single-Output)系統。在無線通訊系統中，信號的可靠接收、接收品質、系統容量和信號接收的持續性成 4 .

(15) . 為首需關心的議題。目前，無線系統多採用單天線的數位平台，而在性能上受到限制，MIMO 將成為解決該問題的關鍵技術。. 1.3. 載波聚合(Carrier Aggregation). 為滿足峰值速率要求，LTE-A 最大可支援 100MHz 帶寬。然而在現有的可用頻譜資源中很難找到如此大的帶寬，而且較大帶寬對於基站和終端的硬體設計挑戰性極高。此外，對於分散在多個頻段上的頻譜資源，急需一種技術把他們充分整合利用。基於上述考慮，LTE-A 引入載波聚合這一關鍵技術。透過對多個連續或者非連續載波的聚合可以獲得更大的帶寬，進而提高峰值. 治政資料速率和系統吞吐量，同時也解決運營商頻譜不連續的問題。此外，考慮到未大立來通信中，上下行訊號的非對稱性，LTE-A 支援非對稱載波聚合，典型場景為下 ‧ 國. 學. 行帶寬大於上行帶寬。. ‧. Rel-10 版本規定每個聚合的載波採用 LTE 現有帶寬，並能相容於 LTE，因此. sit. y. Nat. 保持與 LTE 良好的相容性，後續可以考慮引入其他類型的非相容載波。在實際的. io. 波。. er. 載波聚合場景中，根據不同的傳輸需求和能力，UE 可以同時調度一個或多個載. al. n. iv n C 在 LTE Rel-8 中，上行僅支援單天線的發送，在 h e n g c h i U LTE-A 增強為上行最大支援. 4 天線發送。實體上行分享通道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)引. 入單用戶 MIMO，可支援最多兩個碼字流(codeword stream)和 4 層(layer)傳輸。碼字代表在格式化傳送前的使用者資料。通常，多天線傳輸中的數據首先進行獨立糾錯碼(error correcting code)的編碼，然後將編碼後的碼字映射到一個或者多個傳輸層(簡稱層)上。在一次的傳輸中，系統支援的所有層數又稱該次傳輸的秩數(Rank);而實體層上行控制通道(Physical Uplink Control Channel， PUCCH)也可以透過發射分集(transmitter diversity)的方式提高上行控制資訊的傳輸品質，提高覆蓋。. 5 .

(16) . LTE-A 下行行傳輸由 LTTE Rel-8 的 4 天線擴擴展到 8 天線線，最大支支援 8 層和兩兩個碼字字流的傳輸輸，進而提高高下行傳輸輸的吞吐量和和頻譜效率率。此外，LLTE-A 下行支支援單用用戶 MIMO 和多用戶 MIMO 的動動態切換，並透過增增強型通道狀狀態資訊回回饋 (Chhannel Staate Information feeedback, CSI feedbback) ，以及新的碼本 (coodebook)設設計進一步增增強了下行行多用戶 MIM MO 的效能。. 1.44 多點協協作傳輸(Coordinated Multipoi M int Trannsmissio on) 多點協作作(Coordinaated Multiiple Point ts, CoMP)傳傳輸技術是是指協調多個個天. 治政線擷擷取各點之之間的發射與與接收技術術[2]。如圖1.2所示，它大它是利用光光纖連接的基基地立地台或傳輸輸節點同時為為一個使用用者服務，來來提台來來進行協調調合作，相鄰鄰的幾個基地 ‧ 國. 學. 高使使用者的傳傳輸速率。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.2 多點協作作通訊系統示示意圖 CoMP 技術術透過移動網網路中多節節點(基站、用用戶、中繼繼節點等)協協作傳輸，解解決現有有移動蜂巢巢單跳(signnal hop)網網路中，單 cell c 單基站站傳輸對系系統頻譜效率率的限制制，更能有有效克服 cell 間干擾，提高無線線頻譜傳輸效效率，以及及系統的平均均和. 6 .

(17) . 邊緣傳輸量，進一步擴大 cell 的覆蓋。現行的行動通訊系統中，使用者所接收的資料通常只來自於某一個基地台，即所謂單點傳輸 (single-node transmission) 。當使用者在細胞中心 (cell center)靠近基地台時，尚可保持一定的通訊品質。然而當使用者移動到細胞邊緣(cell edge)時，因為遠離基地台，信號減弱的關係，再加上細胞間彼此干擾，造成訊號雜訊比快速下降，進而使得通訊品質劣化以及資料吞吐量(throughput) 下降。由於協調式多點傳送與接收之技術 (Coordinated Multipoint Transmission/Reception)可以有效解決此問題，因而受到廣泛的關注。在3GPP 國際通訊標準制定會議中，已將此一技術納入未來第四代行動通訊－前瞻長程演進(Long Term Evolution-Advanced)技術的標準中。. 政治大. 協調式多點傳送與接收技術主要分為以下三種操作類別:. 立. (1) 多點聯合處理(Joint Processing):. ‧ 國. 學. 使用者的資料是從多個傳輸節點同時傳輸，多個 cell 傳輸相同的資訊. ‧. 給目標 UE，進而提高接收訊號的品質，同時減小對其它用戶的干擾。也就是說，一個使用者的資料在不同的傳輸節點共同傳輸，並且在這些傳輸點聯合. y. Nat. io. sit. 預先處理。在 SU-MIMO 模式中，這些傳輸點服務一個 UE。如圖 1.3 所示，資. n. al. er. 料分佈在整個 CoMP 協作集合(Cooperating Set)中的每一傳輸節點，且在某. Ch. i Un. 一時間點可有數個傳輸節點傳送資料給用戶端。. engchi. v. (2) 動態選擇細胞(Dynamic Cell Selection):. 考慮一個使用者的資料已在多個傳輸點準備完成的前提下，使用者可以根據連線品質，動態選擇上述多個傳輸點中的一個，進行連線。此機制可以讓使用者在訊號雜訊比降低時，快速切換到較好的細胞。 (3) 協調式排程/波束成型(Coordinated Scheduling/Beamforming): 單一時間傳輸給單個使用者的資料是來自單個傳輸點，並且排程決定是聯合操作的。圖 1.4 所示，使用者的資料由一個基站傳送，透過動態協調排程來控制協作 cell 間的干擾，與 Joint Processing 的主要差別在於：某一時刻內只有單一傳輸節點會傳送資料給用戶端。對於一個使用者來說，使用 7 .

(18) . 者資料並並不被多重傳傳輸，而通通道相關資訊訊是在不同同 cell 間共共用。. 立. 政治大. 圖 1.3 Joint Processing. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.4 Coordinated Scheduling/Beamforming. 根據以上介介紹，可知 CoMP 技術主主要可用於於提昇細胞邊邊緣使用者者的通訊品質質，以及系統的吞吐量。在本論文中，我們主要使用第一種聯合運作 (Jo oint Proocessing)技技術。然而而此效益是建建立在多傳傳輸點的彼此此協調機制制上，而協調調又需要要許多使用用者回報通道道資訊。通道道資訊回報報方式分為明明確式(expplicit)與隱隱含式(implicit)。前者包含含回報干擾與與雜訊、整整個通道矩陣陣、或是僅僅回報通道矩矩陣的主主要特徵元元素(eigenccomponent))等；而後者者根據不同操操作類別，回報包含傳傳輸 8 .

(19) . 點的子集合、預編碼(precoding)矩陣資訊等。營運花費(overheads)多寡，以及協調式多點傳送與接收系統的性能都隨著不同操作類別，及不同的回報的方式而有別。協調式多點傳送與接收技術的優點為增加細胞邊緣使用者的傳輸率，以及整體系統的傳輸率。其缺點是為了讓基地台間更快速交換資料，需要更複雜的調度方式，以及更快速的後端骨幹網路。克服上述的成本與複雜度問題，是未來重要的研究方向。. 1.5 中繼技術(Relay)與中繼站分類 Steven W. Peters等[1]的研究指出，在LTE-A中，中繼站架構是有效提升系. 治政統容量與覆蓋範圍的低成本技術。由於LTE-A在RS的軟硬體設備上提供了以往2G 大立及3G都沒有的功能設計，因此衍伸許多的應用但技術尚在發展階段。目前主要探 ‧ 國. 學. 討的RS應用將以2-hops固定式(fixed)中繼站為主。. 中繼站主要功能. ‧. 1.5.1. sit. y. Nat. (1) 有效提升覆蓋區域，提升 RS 範圍中的訊號雜訊比(SNR)。. n. al. er. io. (2) 為區域的分裂增益，提高系統單位容量。 (3) 可進行協同傳輸(CoMP)。. Ch. engchi. i Un. v. (4) RS 可使用無線傳輸與 BS 聯繫，佈建容易且彈性大；佈建 RS 費用比 BS 低廉，可節省成本。 (5) 可達到良好的 QoS 效果。 (6) L3 (Layer 3 RS，具備 decode 與 forward 能力)等級的 RS 可分擔 BS 與 UE 端部分的資源管理與傳輸工作，並分擔系統負載能力。. 1.5.2. RS 功能層級分類與拓樸架構. M. Iwamura 等人[3]提到，LTE-A 中 RS 功能層級主要分為三類: (1) Layer1 relay：功能類似訊號放大器(Amplify and Forward)，將接收到的 9 .

(20) . 訊號放大後轉傳出去，但也放大了干擾，佈建成本低廉。 (2) Layer2 relay：具有訊號編碼(Decode and Forward)處理以及訊號干擾過濾能力。 (3) Layer3 relay：除了具有 Layer 2 的能力，可對覆蓋區域中的無線資源做管理控制的工作，功能類似小型基地台。因此該 RS 可支援 mulit-hop relay， MIMO，CoMP、Resource Allocation、HARQ 等技術能力。Layer 3 RS 具有 BS 骨幹的大部分功能，在 IP 網路中亦可具有 router 能力，佈建成本為三種中最高，但仍遠低於 BS 成本(約為 1/3 成本)。 RS 的拓樸架構有以下幾類:. 治政 (1) 單跳(Single - hop) RS: 在 BS 與 UE 的傳輸中，僅透過一個 RS 做中介設備。大立單跳中繼又可分為 BS 中只有單個 RS 或是同時具有多個單跳 RS 的星狀架 ‧ 國. 學. 構。. ‧. (2) 多跳(Multi–hop) RS: 允許多個 RS 串接於 BS cell 階層架構中，可使. sit. y. Nat. BS 覆蓋範圍更有延伸性。在 LTE-A 與其他 4G 技術的研究中，multi-hop RS. io. er. 現階段研究的重點在於 2 - hops relay。其中包含 RS 設計上相關的網路結構、鏈路協定與傳輸過程、控制訊號、同步、區域搜索、隨機存取、資源分. n. al. 配、功率控制及 HARQ. iv n C (Hybrid Repeat reQuest,混和式自動重 h e Automatic ngchi U. 送請求) 等。多跳中繼結合 CoMP 技術時，為了實現網狀架構(Mesh)，使得資源管理與干擾問題更為複雜。 (3) 分享(Shared) RS: 多個 BS 共用 RS，RS 及 BS 可與鄰近其他 cell 的 BS 或. RS 傳輸資料。此種拓樸架構相對更加複雜，除了協同共傳技術本身的複雜性，在多個 BS 與 RS 之間，跨 cell 的訊號傳遞管理也是一個複雜議題，LTE-A 的 CoMP 技術即是以此種類型的中繼基地台為基礎建設。 Tommaso Beniero[4]的研究指出，為配合 LTE-A 的許多技術要求，在 Layer 2 層級的 RS 大幅度將系統資源控制與實體物理層重新設計，提高了建置的複雜度。. 10 .

(21) . 而 Layer 3 RS 可視為 BS 與另一個子 BS 的概念，在 RS 與 home BS 的傳輸管理重點在於中繼鏈路的各種設計控制，其佈建規劃的複雜度比 Layer 2 RS 低。在 3GPP TSG-RAN WG1 #54 的 R1-082975 [5]文件中指出，Layer 3RS 可用於提升覆蓋率或容量，且可應用於都會或郊區環境，也可應用於室內與室外的各種應用。因此本研究的中繼站設定，將以固定式 2-hops Layer 3 RS 作為研究對象。. 1.5.3. RS 與 BS 的資源管理模式. 基本上 RS 與 BS 的資源管理可分為兩種模式: (1) 集中式排程(Centralized Scheduling): UE 不論是由 BS 或 RS 提供傳輸. 治政連結，其中的各種訊號控制與管理分配由 BS 負責。RS 大可視為 home BS 的分立支，集中式管理可利用適當的頻率重用增益獲得較高的效能。 ‧ 國. 學. (2) 分散式排程(Distributed Scheduling): 將各種與 UE 端的控制交由 RS 管. ‧. 理。為了針對覆蓋區域中的需求做 RS 最佳化的調整，所以可能與 BS 之間有. sit. y. Nat. 資源上的衝突，例如干擾。相較於集中式來說，即使分散式管理對 BS 的負. io. er. 荷較低，但難以對系統進行全面優化，系統整體效能將有一些損失。 3GPP TSG-RAN WG1 #54 的 R1-082975 [5]將 RS 與 BS 中的傳輸覆蓋模式分為. al. n. iv n C 兩種。穿透式模式主要應用在提升特定區域(例如 h e n g c h i UBS 邊緣地區或 BS 覆蓋範圍中. 訊號不佳的區域)容量，也就是提升傳輸品質。而非穿透式模式主要應用於提升覆蓋率，可延伸 BS 覆蓋範圍。 (1) 穿透式(transparent): RS的覆蓋範圍在BS的覆蓋範圍內。UE同時在RS範圍內與BS的服務區域中，如圖1.5為穿透式傳輸情形。對於系統來說，穿透式中繼站的使用可視為一個特殊的cell分裂，只要採取適當的頻率重用管理，可讓系統產生區域分裂增益的效果，也就是可以增加系統的容量，並提升頻譜使用效率。但實際情形中不可能無限制佈建RS，因此制定一個標準的中繼評估模型與訊號通道模型是目前4G技術中的重點研究議題。. 11 .

(22) . (2) 非穿透式式(non-trannsparent): RS 的部分分或全部覆蓋蓋範圍在 BBS 的覆蓋範範圍之外，此時時 RS 服務中中的 UE 只能能接收到 RS R 的訊號服服務，提供延延伸 BS 服務務範圍的功能能，圖 1.3 為非穿透式式的傳輸情情形。為了減減少後續研研究模型的複複雜度，本研究究中的 RS 與 UE 的通訊訊模式皆允許許為穿透式式服務或是非非穿透式服服務，但在穿透透式模式中將將不考慮區區域分裂增益益的議題。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 1.5 穿透式式中繼站[55]. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.6 1 非穿透透式中繼站[[5]. 1.66 MIMO 技術簡介技介 MIMO (Muultiple-Innput Multiple-Outpu ut)多輸入多多輸出技術術是一種描述述多天線線無線通訊訊系統的模型型，利用發射射端的多個個天線各自獨獨立發送調調變後的訊號號，同時時在接收端端用多個天線線接收並將將接收到的訊訊號解調變變後再按照特特定的演算算法， 12 .

(23) . 合併出一個輸出訊號。根據收發兩端的天線數量可再分為以下四種: (1) 單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO) (2) 單輸入多輸出(Single-Input Multi-Output, SIMO) (3) 多輸入單輸出(Multi-Input Single-Output, MISO) (4) 多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO). 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. n. a圖l 1.7 SISO, SIMO,MISO,MIMO i v 示意圖 n Ch engchi U MIMO 的核心概念為利用多根發射與接收天線來有效的提升無線通訊系統之頻譜效率，及提升傳輸速率並改善通訊品質。在移動通信系統中能使用的頻譜資源是有限的。這種對頻率利用的限制引發了各種問題。頻譜的有效利用、多徑干擾、信號延遲和鄰近通道的干擾，皆為無線通訊系統在性能和容量上所面臨的主要問題。 (1) 多徑干擾在無線通訊系統中，信號從發射端經過不同障礙物的反射，比如建築物、桌子、牆壁等，到達預定的接收端，可能引發多個 Gaussian 通道。這些信號經過不同路徑到達接收端並對接收信號造成干擾，就是所謂的 Rayleigh 衰 13 .

(24) . 落，如圖 1.8 所示。. 政治大這些經過不同路徑到達接收端的信號在相位上會出現與正常到達接收端的立圖 1.8 經過發射、折射形成多個 Gaussian 通道[6]. ‧ 國. 學. 信號不一致的情況，可能是相位提前或滯後。經不同路徑到達接收端會有不同的延遲時間，當延遲時間比信號周期小 10%時，稱這種干擾為平坦衰落，. ‧. 此時信號間的干擾可以忽略。. sit. y. Nat. (2) 信號延遲. n. al. er. io. 當反射信號的延遲時間大於信號周期的 10%的時候，在時間、頻率、和頻譜. i Un. v. 延遲上這種反射信號由於有時間接收上的差異，所以變成了雜訊。在移動通. Ch. engchi. 信系統中，這些雜訊會對接收信號造成資料位元(Bit)上的錯誤。如圖 1.9(1)。. 14 .

(25) . 圖 1.9 無線系統在空間中所面臨的問題[6] 延遲會因不同環境而有差異，延遲越長的反射信號，其強度越小。 (3) 鄰近通道所造成的干擾由於有效頻譜有限，頻率的利用比容量的提升更重要。無線蜂巢系統的示意圖如圖 1.10，在圖中假設使用了三種頻率 F1、F2 和 F3。如圖 1.10 所示，將一個平面區域分成不同的 cell，並且不同 cell 採用不同的頻率通道，即一個 cell 使用一個固定的頻率。由於 cell 彼此的頻率不同，鄰近的 cell 會因距離相近，造成頻率通道間的干擾。矛盾的是，為了減少這種干擾而增. 政治大用戶不在無線系統的基站覆蓋區域裡。目前，有許多研究都假設鄰近通道的立加 cell 間的距離，使得信號的覆蓋面積不完全，從而出現信號盲點，部分. ‧ 國. 學. 干擾是 Gaussian 雜訊。但有反對者指出，這種干擾並不屬於背景雜訊，而是其他的雜訊。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. 圖 1.10 蜂巢佈局圖. 15 . v.

(26) . 1.7 研究動機在一個資訊發展快速的時代，越來越多人開始使用行動裝置。在每個人擁有複數行動裝置的情況下，導致整個世界的能源消耗劇增。根據資料指出，在未來幾年內，行動服務的流量將會大幅成長 100 倍以上。因此在這行動數位爆炸的時代，需要有一個好的方式來紓解能源消耗遽增的問題。對於能源的消耗，由於相關因素太過多元，我們會分細分這些部分再來選擇探討的因素。在整個世界消耗的能源中，我們主要的探討範圍是在行動網路的部分。而行動網路中，基地台的耗能為主要耗能原因。以現今的狀況來看，不論何. 治政時何地，基地台需要提供所有使用者不間斷的服務，因此基地台就必須無時無刻大立處於開啟狀態。而基地台的耗能又以冷卻及功率放大耗能最多。 ‧ 國. 學. 在本研究中，我們擬定的目標不是無時無刻提供服務給所有使用者，而是在. ‧. 使用者需要的時候提供他們服務。差別在於基地台並不需要隨時處於待命狀態，. sit. y. Nat. 因為當基地台位於人煙稀少的山區等其他區域時，若依舊 24 小時運作，會浪費. io. er. 許多能源。所以我們的研究重點在於提出一個好的方式來決策一個基地台是否可進行關閉或睡眠的動作，如此將會省下該基地台所需消耗的基本能源。當基地台. al. n. iv n C 關閉或睡眠時，須服務其下的使用者，因此由周遭基地台共同合作，來覆蓋它原 hengchi U. 本的服務範圍。本論文的節能方式就是運用各基站之間的佈置，及一個開關基地台的決策模式來運作，達到有效節能的目標。. 16 .

(27) . 1.8. 論文架構. 本論文共分為五個章節，其內容如下: 第一章簡介簡介 LTE-A 背景，並對 CoMP 及 Relay Station 等功能做介紹。第二章相關研究參考國內外的相關研究，討論在各種不同的網路環境下，實行節能的不同方法。第三章研究方法. 政治大. 詳細分析提出的 ASGS 方式，並設計一套新的基地台建置方式及開關決. 立. 策方法。. ‧ 國. 學. 第四章模擬實驗與結果分析. 透過模擬實驗分析及觀察實驗結果，驗證所提出的方法是否能有效節省. ‧. 能源並維持一定的吞吐量。. sit. y. Nat. 第五章結論與未來研究. n. al. er. io. 總結論文中提出的方法，分析結果並探討未來的研究方向。 . Ch. engchi. 17 . i Un. v.

(28) . 第二章相關研究 2.1. 現行行動網路耗能概況. Zhisheng Niu[7]提到，整個電信業大約產生占全世界 2％的二氧化碳排放量，並且指出未來因為此行業的增長，在 2020 年可能將產生占全世界 4％的二氧化碳排放量。此外，根據行動數據和視頻的發展，預計行動服務的流量在 2015 年可能高達現在的 100-1000 倍，而其中的三分之二是行動視頻通信。以中國為例，. 政治大支行動電話，而其中 3 億支是可以用來連接網路的。而他們的三大主要行動營運立由於人口關係，它已經是現在最大的行動通訊市場，在 2010 年時，已有 8.6 億. ‧ 國. 學. 商統計在 2009 年中，共消耗了 2890 億 kWh 的能源在行動通訊上，與 2008 年比，能源的消耗成長了 25%。而當時在中國行動電話的普及率只有 64%而已。許多資. ‧. 料顯示，在這個每個人皆持有複數行動裝置的時代，能源的消耗將會以倍數成長。. sit. y. Nat. 在 ICT 產業中，所消耗的能源主要來源有:. z. 伺服器(Server). z. 電信網路 (Telecommunication Network). z. 互聯網(Internet). n. al. er. 大型數據中心 (Large Data Centers). io. z. Ch. engchi. i Un. v. 而在這裡我們所欲達成的節能目標主要是在基地台。以現有的基地台模式來看，在基地台中，由於需 24 小時待命，才能給使用者隨時可以使用的便利性。所以必備的空調降溫，以及為了維持良好的收訊效果所做的功率放大為基地台耗能最大的部分。在所有消耗的能源中，有 55％是來自基地台，這可從 C. Han [8] 中的圖可以看出。NEC [10]提到，這之中每個基地台有 80%的能源是上述兩個設施所消耗的能源，如圖 2.2。為了達到節能的目標，本論文將針對這部分來作探討。 18 .

(29) . 圖 2.1 典型無線細胞網路的能源消耗[8]. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. 2.2. er. io. sit. y. Nat. al. iv n C h e基地台消耗能量分析[9] 圖 2.2 ngchi U. BS 的睡眠模式. 在文獻中，基地台的討論除了最簡單的以白天黑夜(時間)來討論之外，有些文獻更進一步的將基地台的使用地點也納入了討論，例如:設置在住宅區的基地台晚上較白天使用量大，反之設置在辦公區的基地台白天較晚上使用量大。所以在後續的研究中，我們也會以此假設來探討。當有基地台進入睡眠模式時，該基地台不再發送訊號，而是藉由周圍其餘活動中的基地台傳送訊號，以此覆蓋睡眠 19 .

(30) . 基地台區域的無線電覆蓋範圍。無線電資源和基地台之間的協調運作可以確保必要的服務覆蓋範圍。傳統網路講求的是不論使用者在何時何地，都能接收到訊號來使用行動裝置，也就是說即使整座山目前沒有任何使用者在使用行動裝置，也需要開啟所有範圍內全部的基地台來使用。但實際上，我們該提供的並不是何時何地都讓他們可以使用，而應該是要在他們想用的時候提供給他們使用即可，最大的差別在於基地台並不需要24小時不間斷的運作，而是依不同時段開啟。但是當有一些基地台若是進入睡眠甚至關機時，我們不能因此放棄使用這些基地台之使用者的權益，所以在周圍的其他基地台就需要幫忙處理這些使用者的需求，如圖 2.3。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. i Un. v. 圖 2.3 藉由細胞縮放實行基地台局部關閉的運作方式. engchi. 上方兩個圖的差別在於，左圖是一個關閉的基地台，由周圍三個開啟的基地台來協助覆蓋，而右圖則是由周圍兩個開啟的基地台來協助覆蓋。. 2.3. 細胞縮放. 傳統的蜂巢網路的細胞大小是固定的，在設置之前會先預估當地的使用量再決定細胞的大小，一旦決定之後，每個細胞所要負責的範圍也就固定了。但在我們的方式中，細胞大小並不固定，我們會根據基地台的開關來決定細胞的大小，由開著的基地台來覆蓋關閉基地台的服務範圍。我們的細胞會根據計算來決定它的覆蓋範圍，達到最佳的能源節省。上述所 20 .

(31) . 說的細胞縮放，並不是真的去改變整個細胞的大小，而是利用實體層的技術，藉由調整控制訊號的發射功率來改變細胞的大小。在 Zhisheng Niu [11]中提到，蜂巢網絡中，細胞縮放可以帶來許多好處。首先，細胞縮放可用於負載均衡，藉由從較重負載的細胞流量轉移到輕負載的細胞下。其次，細胞縮放可用於節能方面，將細胞放大到零的流量負載的區域(基地台睡眠模式中)，覆蓋並服務該區域。某些基地台在睡眠模式下，相鄰細胞應該相對應放大，以保證覆蓋且服務該區域的使用者。因此，細胞縮放既可以分散負載、均衡負載，也能集中負載以達到節能的目的，如圖 2.4。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2.4 藉由 BS 與 RS 之間合作達到細胞放大[11]. 然而，在這兩種情況下，流量多寡與資源分配是成正比的，而與細胞縮放的大小成反比。因此決定何時分散負載達到負載平衡以及集中負載達到節能，都是具有挑戰性的問題。. 21 .

(32) . 2.4. 細胞網路架構. M.Ajmone Marsan [12]的研究指出，在現實世界中，我們的網路模式有許多種類型，我們會先介紹一些較為典型的網路架構。典型的蜂巢網路大致上分為以下幾種: Hexagonal cells with omnidirectional antennas:. 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 圖 2.5 六角形全方位天線式細胞，關閉率分別為 3/4 及 6/7。[12]. y. Nat. sit. 六角形全方位式天線式細胞，如圖 2.5，每個細胞的形狀都是六角形，而天. n. al. er. io. 線也都是可向四面八方發射訊號的全方位式天線，該架構的基地台是在細胞的正. Ch. i Un. v. 中央，藉由中央基地台對周圍發送訊號，來提供服務。此類型的網路架構還細分. engchi. 為兩種類型，一種是當週遭基地台都關閉時，中央基地台只負責周遭基地台＂一半＂覆蓋範圍(如圖 2.5 左)。亦即關閉基地台的覆蓋範圍，會由周遭兩個基地台來負責涵蓋；另一種為當週遭基地台都關閉時，中央基地台會完全覆蓋週遭所有基地台的服務範圍(如圖 2.5 右)。以關閉率來看，左圖的關閉率為平均每四個基地台中，可以有三個關閉，關閉率為 3/4；右圖的關閉率為平均每七個基地台中，可以有六個關閉，關閉率為 6/7。. 22 .

(33) . y Crossroads cells with omnidirectional antennas:. 政治大. 圖 2.6 十字路口(圓形)全方位天線式細胞，關閉率 4/5 [12]. 立. 十字路口全方位天線式細胞如圖 2.6 所示。細胞範圍大致上為圓形，與前一. ‧ 國. 學. 種架構不同之處在於周圍的基地台數只有四個。前一種架構，由於是六角形細胞，周圍有六個基地台。因為本架構也是全方位天線，基地台也是在細胞中央發送訊. ‧. 號來提供服務。它的關閉率為平均每五個基地台中，可以有四個關閉，關閉率為. n. al. Ch. engchi. er. io. y Hexagonal cells with tri-sectorial antennas:. sit. y. Nat. 4/5。. i Un. v. 圖 2.7 六角形指向性天線式細胞，關閉率分別為 3/4 及 8/9 [12] 六角形指向性天線式細胞如圖 2.7 所示。與第一種架構不同之處在於，它的 23 .

(34) . 天線是往周圍的三個方向發送，並不是全方位式發送，它的發射基地台是在三個細胞的中間。跟第一種架構相似之處是它也依覆蓋周遭範圍分為兩種，覆蓋周圍一半區域(圖 2.7 左)及完全覆蓋(圖 2.7 右)。以關閉率來看，左圖的關閉率為平均每四個基地台，可以有三個關閉，關閉率為 3/4；右圖的關閉率為平均每九個基地台中，可以有八個關閉，關閉率為 8/9。. y Manhattan layout: cells form a grid structure:. 政治大曼哈頓型(直線)細胞，關閉率分別為 1/2 及 2/3 [12] 立. 學. ‧ 國. 圖 2.8. 曼哈頓型的架構常被用在現今的道路網路區域畫分中。它分為兩種，一種是線型如圖 2.8 所示。也因覆蓋周遭的範圍再區分為兩種，覆蓋周圍一半區域(圖. ‧. 2.8 左)及完全覆蓋(圖 2.8 右)。以關閉率來看，左圖的關閉率為平均每兩個基. y. Nat. sit. 地台中，可以有一個關閉，關閉率為 1/2；右圖的關閉率為平均每三個基地台，. n. al. er. io. 可以有兩個關閉，關閉率為 2/3。第二種是方格型的:. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2.9 曼哈頓型(方格)細胞，關閉率分別為 3/4 及 8/9 [12]. 24 .

(35) . 也因覆蓋周遭的範圍再區分為兩種，覆蓋周圍一半區域(圖 2.9 左)及完全覆蓋(圖 2.9 右)。以關閉率來看，左圖的關閉率為平均每四個基地台，可以有三個關閉，關閉率為 3/4；右圖的關閉率為平均每九個基地台，可以有八個關閉，關閉率為 8/9。細胞網路服務模式大致上分為上述幾種，但我們不能以盡量關閉基地台來達到節能的目的。因為基地台的能源消耗會與基地台的覆蓋範圍距離成平方比。亦即當一個基地台的覆蓋範圍越來越大，所消耗的能源也會以平方的倍數增加，所以必須設計一個基地台間最佳關閉方式來達到最有效率能源使用的目的。而在我們接下來提出的 ASGS 方法中，將使用全方位式及指向式天線以及六角型細胞及圓形細胞來做討論。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 25 . i Un. v.

(36) . 第三章研究方法 3.1 問題分析對現今的網路來說，最消耗能源的部分是在基地台，而基地台的能源有 70% 花在功率放大及空調冷卻的部分。所以如何有效率的關閉、開啟基地台以及運用 LTE-A 中 CoMP 的概念讓周圍的 BS、RS 互相合作協助服務關閉基地台的使用者是重要的研究議題。. 政治大可再細分為住宅及辦公區。例如辦公區的白天會有較多使用人數(流量)，但晚上立. 在現今社會中，除了白天、晚上會造成使用者使用情況有較大的變化外，還. ‧ 國. 學. 就會比較少；而住宅區的白天使用人數(流量)較少，但晚上就比較多。即便如此辦公區的總使用流量仍比住宅區的使用流量來的多。除此之外，平日與假日也是. ‧. 影響使用人數(流量)的一大主因。因此本論文會根據這些區別來探討在不同時段. sit. y. Nat. 下,如下表 3-1 在不同時段中，辦公區與住宅區的流量比較情形。針對各種變化. n. al. er. io. 關係，之後提出的決策基地台開關方式期能有效達到節省能源的目的。. Ch. i Un. v. Day. e n g c h iNight. Working Area. ↑. ↓. ↓. Residential Area. ↓. ↑. ↑. Area. Period. Holiday. 表 3-1 辦公區及住宅區流量變化關係. 3.2 方法論根據第二章介紹的方法，我們提出一種新的節能方法稱為 ASGS (Adaptive BS/Relay Switch GREEN System)。為善用 LTE-A 的優勢，我們針對 Relay 及 BS 26 .

(37) . 做位置上的配置來達到最佳能源利用的目的。在這方法中，除了中央 cell 的 6 個 RS 外，使用的天線均為全向式的天線。中央 cell 的六個 RS 由於需動態對周圍 cell 開關情形(決策方式)傳送訊號，所以主要是使用指向性的天線來確立傳送的方向，來對關閉的 cell 裡的 RS 傳送訊號。 BS 及 RS 位置分佈的設計方式主要是由中央的 cell 來主導，所以不論何時中央 cell 的 BS 及 RS 皆不會進入睡眠模式。由於當周圍其他 cell-BS 關閉時，需要由中央 cell-BS 負責該範圍內使用者的服務，所以中央 cell 的 RS 設計在最外圍，便於傳送訊號時不至於距離太遠。而周圍其他 6 個 cell 則因為在能源利用上考量到能源耗費與傳輸距離成平方比的關係，為了避免讓中央 BS 有太高的傳送功率，所以將周圍 6 個 cell 的. 治政 RS 設計在 cell 內層靠近中央位置來負責外圍的播送。之所以決定 6 個 RS 是因大立為細胞形狀大部分以六角形為主，6 個 RS 可以簡單均分為 6 個區域並可兼顧讓 ‧ 國. 學. 服務範圍不會太大以免消耗過多能源，因此以此為設計原則。. ‧. 3.2.1 開關決策. sit. y. Nat. io. er. 在相關研究中，對於各 BS 及 RS 的開關決策方式是以當下的使用流量為主。在一個相同的區域內，如果沒有特殊情況發生，每個週期(一天)的使用流量情況. n. al. ni C h 3.1: 通常都會趨近一個固定的模式。如圖 U engchi. 27 . v.

(38) . 政治大圖 3.1 各時段流量動態變化[13] 立圖 3.1 為一個實際城市一週的流量變化，當週的週五為假日。可以發現雖然不同. ‧ 國. 學. 的基地台會有不同的流量，但是就平日及週末兩個時段來看，各基地台的使用流. ‧. 量是差不多的。所以我們的決策方式將以流量為依據來做設計。我們先假設一個. sit. y. Nat. cell 的使用流量最大值(最高使用流量)是 x，n 是偵測出瞬間 cell 的總使用流. io. er. 量，f(n)代表 cell 中 BS 及 RS 所對應的狀態變化(在此 0.75, 0.45, 0.2 為我們觀察流量變化建議的門檻值):. n. al. f(n) =. Ch. engchi. 1 ,. 若 n/x ≧ 0.75. 2 ,. 若 0.45≦ n/x < 0.75. 3 ,. 若 0.2≦ n/x < 0.45. 4 ,. 若 n/x < 0.2. i Un. v. f(n)為對應使用流量 n 的決策函數，用於決定以下將開關哪些 RS 及 BS。 (1) f(n)= 1: BS 及 RS 全部開啟，關閉率為 0。 (2) f(n)= 2: BS 開啟，RS 全部關閉，關閉率為。 28 .

(39) . (3) f(n)= 3: BS 關閉，RS 開啟 2 個，關閉率為。 (4) f(n)= 4: BS 關閉，RS 開啟 1 個，關閉率為。決策方式 3 及 4 的 RS 選擇將會在 3.2.2 有詳細的說明。由於提出的方法是由中央 cell 來主導，並不關閉任何 BS 或 RS，所以這個決策方式只適用於周圍的 cell。在此我們並不考慮一個 cell 將所有基地台全部關閉，因為能源消耗會與基地台的覆蓋範圍距離成平方比的關係，如果將整個 cell 的基地台全部關閉改由周圍基地台來協助覆蓋耗費能源太高，因此不採取這種使用方式。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 29 . i Un. v.

(40) . types. f(n). 1. 2. 3. 4. Base Station. open. open. close. close. Relay Station. Open 6 RSs. All RS close. Open 2 RSs. Open 1 RSs. 表 3-2 各決策方式與基地台間對應關係. 3.2.2 基地台配置與決策模式. 政治大. 針對不同的決策模式有不同的開關情形，以下所有圖形都會以圖 3.2 的各 cell 編號來做討論。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3.2 各 Cell 編號圖. 30 .

(41) . 不論使用流量為多少，中央 cell-1 的 BS 及 RS 皆不影響，會以全部開啟的方式來運作。圖 3.3 為使用度最高(n/x ≧ 0.75)的時候 BS 及 RS 之間的狀態圖: . 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 圖 3.3 f(n)=1 時， BS 及 RS 開關狀態圖 . sit. y. Nat. 紅點(如圖右方標示)為 BS，黃點(如圖右方標示)為 RS，相對應的顏色為他. n. al. er. io. 們各自服務的範圍。這種安排方式主要是以中央的 cell-1 為主，而周圍每個 cell. i Un. v. 又以 BS 為主。分配方式為每個 cell 有一個 BS 及 6 個 RS。當 cell 中的使用者. Ch. engchi. 多時(≧巔峰使用流量(x)*75%)，就會啟動決策方式 1 來安排 BS 及 RS 的開關，也就是全部 BS、RS 進入開啟的狀態，如圖 3.3 所示。. 31 . .

(42) . 如果使用流量減少(0.45≦ n/x < 0.75)時就會相對應先減少 RS 的使用，以 BS 處理範圍內的使用者為主。以下決策方式表示皆以 cell-2 為代表說明，其餘 cell 的決策方式表示皆相同，如圖 3.4 所示:. . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. io. sit. y. 圖 3.4 f(n)=2 時 , BS 及 RS 開關狀態圖. . n. al. er. Nat. . . Ch. i Un. v. 上述圖 3.4 中，黑色的點(畫叉)表示關閉的 BS 或 RS。即當 cell-2 的使用者. engchi. 較少時(≧巔峰使用流量(x)*45%)，就會啟動決策方式 2 來安排 BS 及 RS 的開關。也就是關閉 cell-2 全部的 RS，改成全由 BS 負責整個 cell-2 內的使用者。而當使用者流量更少時(0.2≦ n/x < 0.45)，則會關閉 BS 及大部份的 RS，關閉方式如圖 3.5:. 32 .

(43) . 立. 政治大 . ‧ 國. 學. 圖 3.5 f(n)=3 時， BS 及 RS 開關狀態圖. ‧. 當使用流量繼續減少(≧巔峰使用流量(x)*20%)時，表示使用量已大幅減少，. sit. y. Nat. 所以將會關閉 cell-2 的 BS。但是由於 BS 關閉，該區域服務範圍內的使用者還. io. er. 是需要被服務，所以會開啟 cell-2 中的兩個 RS，如圖 3.5。Cell-2 內的使用者將由 cell-1 的 BS 來負責，傳送資料的方式則是如圖 3.5 藍色(粗)箭頭所表示。. al. n. iv n C 先由 cell-1 的 BS 透過指向性天線傳送訊號給最接近 h e n g c h i U cell-2 的兩個 RS(屬於. cell-1)，再藉由這兩個 RS 分別傳送給 cell-2 中開啟的兩個 RS，再由這兩個 RS 為使用者服務。這個決策方式會大略將 cell-2 分成 4 個區塊，上方最外圍的兩個區塊(即 A) 分別由 cell-2 的兩個 RS 負責，也就是說如圖 3.5，當使用者是在上方兩個區塊時，cell-1 的 BS 會傳送訊號給最接近 cell-2 的兩個 RS，再由這兩個 RS 傳送訊號給 cell-2 負責提供服務的兩個 RS 來做處理。而如果是在下方的兩個區塊(即 B)中，則由 cell-1 的 BS 傳送訊號給兩個 cell-1 的 RS 來提供服務即可。. 33 .

(44) . . 當使用流量更少時(n/x ≦ 0.2)，就會關閉大部份的 BS 及 RS，只開啟一個 RS 來運作，關閉方式如圖 3.6:. 立. ‧ 國. 學. . 圖 3.6 f(n)=4 時， BS 及 RS 開關狀態圖. ‧. . 政治大. sit. y. Nat. 當整個 cell-2 的使用流量最低(≦巔峰使用流量(x)*20%)時，代表使用量也. n. al. er. io. 降至低峰，所以改由只留一個 RS 來負責關閉基地台的服務範圍。訊號傳送方式. i Un. v. 同樣是由 cell-1 的 BS 傳給最接近 cell-2 的兩個 RS(屬於 cell-1)，再由這兩個. Ch. engchi. RS 傳送給開啟的 cell-2 唯一的 RS。在這個決策方式中，會將 BS 關閉的 cell 需服務的範圍畫分成 3 個部分，如上圖 3.6。假設使用者是在最上方的區塊(即 A)裡，如圖中藍色(粗)箭頭所示，由 cell-1 的 BS 傳送訊號給最接近 cell-2 的兩個 RS，再由這兩個 RS 傳送給 cell-2 唯一開啟的 RS，並用 CoMP 的聯合處理 (Joint Processing)技術，共同傳送來提高它的訊號品質，再由這個 RS 為使用者服務。如果是在該 cell 的下面兩個區塊(即 B)，則由 cell-1 的 BS 傳給最接近 cell-2 的兩個 RS，再由它們為使用者進行服務即可。. 34 .

(45) . 無論是哪種決策方式，在我們的方法裡，基地台與使用者間會運用到 CoMP 技術，使用者可以動態選擇對於它訊號最好的 RS 或 BS 傳送資料。而 RS 與 BS 間則會互相合作，如果使用者都在他們的服務範圍內，則會使用聯合傳輸的方式來提高吞吐量(Throughput)。. 3.3 能量消耗計算藉由上述的配置方式配置各基地台的位置後，再根據 Xiaowei Qin [14]、M. Ericson 等人(2011)[15]提出的公式來計算能源的損耗: (1) 通道增益(channel gain) α:. G. α. G. 立. λ L. Gt、Gr 是傳送、接收天線增益，λ是天線長度，. ‧. L 是系統遺失系數(loss factor)(L≧1). sit. y. al. 2. C. 1. W. er. W. io. P. Nat. (2) 傳送功率(transmit power). N. iv n C 是頻寬，N 是雜訊密度，r cell 半徑，CU是流量密度 h是 en gchi n. W. 學. ‧ 國. . 政治大. 0. d. n 是路徑遺失指數(pass loss exponent) (3) 接收功率(receive power). P. P. n 是路徑遺失指數(pass loss exponent) (4) 總能源消耗(power consumption overhead) (4.1) 系統總能源消耗:. Ptotalconsumption N. Ncells. 是 cell 的數量 35 . . Pconsumed.

(46) . (4.2) 各 cell 能源消耗:. Pconsumed. P. C. P. X. P. C 是能量相依系數(C > 1)，P 是系統最低耗能 (5) 吞吐量(throughput) ∑ Packets. Throughput. bits. Packet_Size. Total_Time. sec. 單位時間內、使用者所傳輸的量。根據以上公式，先分別計算當時每個 cell 的人數，決定要採用的決策方式並開啟相對應的 BS 及 RS 數量，再根據它們各自負責的範圍來計算傳送及接收功. 政治大. 率。計算完每個 BS 及 RS 所耗之能源後，最後加總即為消耗總能源。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 36 . i Un. v.

(47) . 3.4 Adaptive BS/Relay Switch GREEN System (ASGS) 3.4.1 ASGS 運作方式根據上述的作法，我們首先假設全系統的總使用流量為L，而7個cell相對應的最大使用流量分別為L ，i = 1,2,…,7。因此 ∑. L. L 。而辦公區及住宅. 區的使用流量變化會隨時間不同而有不同的改變。由於一天有24小時，故我們將之分為24個時段，並假設第i個cell在第j個小時的使用流量比為NR ，j = 0,1, …,23。流量比為各時段與最大流量的比率，因為不同的區域會有不同的流量變. 治政 NR 。大. 化情況，流量比也會根據不同區域變化。因此，假設N 為第i個cell當時刻(第j 小時)的使用流量，則N. L. 立. 由於在我們的系統中，周圍6個cell都可以動態決定他們當時的開關情形，. ‧ 國. 學. 也就是可以以3.2節提出的決策方式來決定啟動的狀態。決策方式需要根據不同系統，訂出不同的決策方式門檻值。而門檻值的決定方式是由該地區使用流量的. ‧. 變化關係來決定，我們會經由NR 來做排序，並由做完排序的時間與流量變化關，表示第y個四分位數，x表. sit. n. y. Nat. 係中取出3個四分位數(Quartile)。假設Q. al. n. y. er. io. 示四分位數的百分比比值，n為樣本總量，在此由於是取四分位數，故. v. x，y=1,2,3。也就是說第一個四分位數(Q )為決策方式一、二的門. Ch. engchi. i Un. 檻值，第二個四分位數(Q )為決策方式二、三的門檻值，第三個四分位數(Q ) 為決策方式三、四的門檻值。由於每個地區的使用流量會趨近一個定值，所以一個cell在第j小時的使用流量N 與該cell的最大使用流量L 的比值超過某個門檻值時，就會啟動相對應的決策方式。即:. f(N ) =. 1 ,. if N /L ≧ Q. 2 ,. if Q ≦ N /L < Q. 3 ,. if Q ≦ N /L < Q. 4 ,. if N /L < Q. 37 .

(48) . 在我們的方式中，每個cell都可以自主決定他們各自的決策方式，動態調整適合的開關模式，也就是每個cell都有屬於他們在第j小時的決策方式。在某一時刻每個cell決定適合的決策模式後，由於中央的cell不論在何種情況下，開關方式皆相同，所以BS的服務範圍皆為. 。但由於受決策方式4的影響，. 當周圍有cell開啟決策方式4時，開啟的RS需要傳送的最遠距離為. r，故RS所. 需的傳送距離較遠。而周圍的6個cell，BS在決策方式1及2時傳送的距離分別為 √. 及 r，每個RS除了決策方式四是. r，其餘皆為. 。根據這些距離來計算每. 個cell在不同決策方式時，所開啟的基地台數量的總傳送及接收功率。即每個 cell的能源消耗總量(Energy Consumed, EC)為: EC. P of each BS or RS. P of each BS or RS. 學. ‧ 國. 立. 治BS or RS 政P of each 大. 3.4.2 ASGS 決策方式流程圖. ‧. 根據上述流程，針對不同地區，由於整體的使用流量情形會趨近於一個定值，. sit. y. Nat. 故利用這流量的使用變化來做排序並預先計算出三個四分位數來將使用變化區. al. n. 基地台開關狀態。. er. io. 分為四部分，利用這四個部份做出四個不同決策，以及針對每個決策設計不同的. Ch. engchi. 38 . i Un. v.

(49) . Start . Calculate Q1,Q2,Q3 with traffic load . Ni 3 ? Xi. Number of activate BS/RS: . Yes. 立. BS → 1 ，RS → 6 政治大. ‧ 國. 學. No . ‧. io. y. Yes. BS → 1 ，RS → 0. n. al. Number of activate BS/RS: . sit. 2 . er. Nat. Ni Q3 Xi ? . No . Ni Q2 Xi ? . 1 . Ch. engchi. i Un. v. Number of activate BS/RS: . Yes. BS → 0 ，RS → 2 . Number of activate BS/RS: . No. BS → 0 ，RS → 1 . 圖 3.7 ASGS 決策流程圖 39 .

(50) . 第四章模擬實驗與結果分析 4.1 模擬流程 4.1.1 各細胞間人數生成及分配對於整個模擬方法，最關鍵的就是要能知道每個 cell 的總使用流量。在計算這個部份之前，要先決定每個 cell 到底是屬於住宅區還是辦公區的細胞。我們假設中心 cell-1 的部分是辦公區，cell-2、cell-4、cell6 也為辦公區，. 政治大. cell-3、cell-5、cell-7 為住宅區，如圖 4.1。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 4.1 各 cell 之編號(紅色-辦公區，綠色-住宅區) 根據[7]提出的數據，分別取出辦公區及住宅區一天的流量變化情形，再另外取出平日與週末的使用流量變化。後續的模擬結果會分別有平日及假日兩種不同的模擬結果。. 40 .

(51) . 4.1.2 決策方式與使用者分配在此我們的方法要確保能在達到節能的目標下不至於降低過多的吞吐量，所以除了耗費的能源總量之外，我們也需針對吞吐量做計算。由於需計算吞吐量，所以會針對每個 cell 隨機分佈使用者。再根據前面章節提到的每日流量變化關係，以及第三章決策公式來計算不同時刻每個 cell 的基地台狀態圖，並計算能源消耗總量。決定每個 cell 的基地台狀態後，會根據隨機散佈在 cell 中的使用者所在位置來決定是由哪些 BS 或是 RS 來負責服務，並用以計算整體的吞吐量。當分配完成後，會因模擬環境不同而有不同情況，在此設計的模擬方式，除了第. 治政一小時是隨機選取外，其餘都是根據流量變化，決定不同時段下的使用流量，不大立至於讓每個 cell 的流量變化差距太大。而每小時根據使用者位置的不同，所得 ‧ 國. 學. 到的 throughput 也會有所變化。最後計算 7 個 cell 所耗費之能源及每個使用者. Nat. er. io. sit. y. 4.2 基地台全開設計比較. ‧. 的 Throughput 做總和，並與全開方法做比較。. 由於需要一個對照組來做比較，才能看出本方法的效率有多少。設計方. al. n. iv n C 式為依舊考慮 7 個 cell，我們參考許多文獻介紹 Relay Node 的佈置，決定將 RS hengchi U 全部以 cell-1 的設計方式來建置，由 BS 在整個 cell 的中心，6 個 RS 分別在周圍形成六角形，如圖 4.2。. 41 .

(52) . 圖 4.2 比較方式(全開) 為比較所提出的決策設計在能源的有效利用性，比較方式採用不論使用流量. 治政為多少，所有的 BS 及 RS 皆是全開的狀態。以此方式來與所提出的節能方式做模大立擬比較。 ‧ 國. 學. 4.3 模擬實驗. ‧. sit. y. Nat. 本論文所選擇的模擬器為 Matlab R2013a，模擬環境設計由於有住宅及辦公. io. al. n. 及 C. Khirallah[16]如下:. er. 區之分別，所以環境為一個城市，模擬參數參考 Xiaowei Qin [14]、M. Ericson [15]. Parameter. Cell radius Number of users (7 cells) Carrier frequency System bandwidth Thermal noise density (N0) Path loss exponent (n) Traffic density (Cd) Power dependent factor (C) Antenna gain BS BS power consumption(min) BS transmission power Cell layout. Ch. Value. e1.2 n gkmc h i. i Un. 1000 2.4 GHz 40 MHz -174 dBm/Hz 3 10 bits/s 5 15dBi 355W 43dBm hexagonal 7 cell 表 4-1 模擬環境參數 42 . . v.

(53) . 由總數 1000 個使用者分佈到 7 個 cell，根據住宅及辦公區的不同，有不同的使用流量變化，7 個 cell 的使用流量變化如圖 4.3。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 4.3 各 cell 流量變化(平日). i Un. v. 上圖為 7 個 cell 的使用流量變化在 0~23 時的變化情形，由於這個部分是由. Ch. engchi. 程式隨機選取的，所以流量變化也是隨機的。由圖中可以發現，最多使用流量的時段是在 11 點到 14 點間，其次為 19 點到 21 點，可以很明顯的由使用情形分辨出該 cell 是辦公區(cell-1、cell-2、cell-4、cell-6)還是住宅區(cell-3、 cell-5、cell-7、)。而不論是辦公還是住宅區，7 個 cell 的人數總和為 1000 人。. 43 .

(54) . 接著是各個 cell 在週末的使用流量變化情形，如圖 4.4。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學圖 4.4 各 cell 人數變化(週末). sit. y. Nat. n. al. er. io. 上圖為各 cell 在週末的使用流量變化，由於週末較少人使用，每個 cell 的. i Un. v. 流量都很明顯的減少，但其中又以 15 點到 19 點左右使用流量較多，而辦公區與. Ch. engchi. 住宅區的情況也不太相同。接下來的模擬比較將會依上述的使用流量變化來做設計。. 44 .

(55) . 針對各個 cell 的耗能，利用第三章所提到的公式來計算並加總，畫出平日及周末 24 小時的能源總損耗圖，如圖 4.5 及 4.6。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 4.5 一日總能源消耗比(平日). i Un. v. 由圖 4.5 可以清楚看出，紫紅色(+線段)的為提出的 ASGS 方式，藍色(Δ線. Ch. engchi. 段)為全開的方式。在人數較少的時段，由於決策方式的選擇，關閉了許多 BS 及 RS，因此節省了許多能源上的消耗，因此在圖的兩端，能源的節省率相當高。但是在使用流量達巔峰的時段，由於我們所提出的方式相較於基地台全開的方式，我們一個 cell 開啟的 RS 數目比它多兩個，因此整體的耗能也跟著提升，所以導致在巔峰時段耗費能源多兩個 RS 的耗能。但整體的能源消耗率，ASGS 方式總共節省了 37%的能源。. 45 .

(56) . 週末部分的能源消耗可參考，圖 4.6:. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學圖 4.6 一日總能源消耗比(週末). sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 4.6 顯示在周末時段由於使用人數較為稀少，所以整體的能源消耗也較少。. i Un. v. 能源的損耗之所以會在後面增加，也是因使用流量變化，決策之後開啟耗能較高. Ch. engchi. 的階段的基地台狀態(決策方式 2 或 3)，才會出現這種情況。整個週末的總耗能大約可以減少 54%的能源損耗。由此可見在人少的時候 ASGS 的節能情形更為明顯。. 46 .

(57) . 不能因為一味追求能源節省，而降低整體 QoS 的效能，因此我們也針對整個系統的 throughput 進行計算。平日與假日的 throughout 比較如下圖 4.7、4.8。. 政治大. 立. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 4.7 一日總吞吐量比(平日). i Un. v. 由圖中可以看見，隨然在使用流量少的時侯看似與全開的吞吐量差不多，不. Ch. engchi. 過提出的 ASGS 方法實際是稍微輸一點的。這是由於在使用流量少時，決策的方式選擇關閉許多 RS 及 BS，因此剩餘的活動基地台不多，導致整體的吞吐量稍微偏低。而在中間的部分兩端會先輸(9 點~17 點及 18 點~21 點)，中間最高峰才贏則是因為提出的方法在最高峰 BS 及 RS 全部啟動，加上基地台的佈置偏中間，因此較容易與使用者有較近的距離，因此才會有此種情況。之所以在最高峰兩旁會輸則是因為只開啟一個 BS，再加上使用流量還是有 45%以上的使用量，所以整體算下來會比全開的方式降低不少吞吐量。但由於總使用流量還是偏多，故平均之後吞吐量並無下降太多。就結果而言，平日的吞吐量，我們提出的 ASGS 方式與全開方式相比大約會降低 3%。 47 .

(58) . 最後看週末的吞吐量比，如圖 4.8。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. 圖 4.8 一日總吞吐量比(週末). n. al. er. io. 由圖 4.8 可以發現，由於使用流量較少，雖然在流量少的時段依舊看似沒有. Ch. i Un. v. 輸，但其實由最後模擬結果的數值可以知道應該還是略輸。這也是由於關閉了大. engchi. 部分的基地台，整體吞吐量無法有效率的提升。在 15 點到 20 點會輸是因為該時段的使用流量情形可能啟動了決策方式 2，因此只開啟一個 BS，所以跟 BS 及 RS 全開的方式比起來，吞吐量才會輸。整體比較起來，假日的吞吐量由於流量較少，吞吐量大約稍低 8.1%。. 4.4 實驗結果由上述的模擬圖可以看出，我們所提出的方法可以有效增加能源的利用達到節能的目的，而且並不會因為關閉許多基地台導致吞吐量下降太多。為了求得一個較精準的值，我們針對整個程式模擬執行了 100 次求其平均值，結果如下表 48 .

(59) . 4-2:. Weekday (Monday ~ Friday). Weekend (Saturday ~ Sunday). Energy saving (%). 35. 56. Throughput decrease (%). 3.7. 9.6. 表 4-2 平日及假日消耗能源與總吞吐量平均比. 由此可知，雖然 throughput 會降低大約 3~10%，但是對於能源節省的部分則. 政治大. 會大幅降低 30~60%的能源消耗，因此利用本論文提出來的方式佈建可以有效達到能源節省的目的。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 49 . i Un. v.