載波聚合於LTE-A系統之室內位置推薦演算法

全文

(1)國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士論文指導教授：王嘉斌博士. 載波聚合於LTE-A系統之室內位置推薦演算法. Indoor location recommendation for carrier aggregation in LTE-Advanced. 研究生：程鈺錞撰中華民國一百零三年六月.

(2) 載波聚合於 LTE-A 系統之室內位置推薦演算法學生：程鈺錞. 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. 本論文中，我們解決了一個在長期演進無線網路系統(Long-Term Evolution, LTE-A)毫微微基地台網路(Femtocell network)的下行鏈路 (Downlink)中所遭遇的載波聚合(Carrier Aggregation, CA)問題。我們提出了一個從不同角度切入的新概念─位置推薦(Location Recommendation, LR)，藉此改善在室內 LTE-A 系統的載波聚合表現。室內位置推薦(Indoor Location Recommendation, ILR)演算法會建構一個介於微型基地台間無線干擾的先備知識並由此建立一個相對應的服務品質(Quality-of-Service, QoS)地圖，使得用戶能顯而易見地預測在室內中各處所獲取的 QoS 情形以及分量載波(Component Carrier, CC)的選擇。藉由利用室內定位及 QoS 地圖，我們所提出的方法可以建議用戶到室內特定的位置以獲取滿足使用額外分量載波的能力和各種服務需求。透過模擬，驗證了所提出的演算法能夠藉由位置的推薦改善在 LTE-A 系統的載波聚合表現。. 關鍵字：長期演進計畫、載波聚合、毫微微型基地台、位置推薦、服務品質. i.

(3) Indoor location recommendation for carrier aggregation in LTE-Advanced Student：Cheng, Yu-Chun. Advisor：Dr. Wang, Chia-Pin. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University. ABSTRACT In this paper, we tackled the problem of Carrier Aggregation (CA) in downlink of Long Term Evolution Advanced (LTE-A) femtocell networks. We proposed a novel approach from a totally different perspective, location recommendation, for improving the CA performance in LTE-A indoor environments. The proposed Indoor Location Recommendation (ILR) algorithm structures the prior knowledge of radio interference between femtocells to build a Quality-of-Service (QoS) map, enabling users to visualize the predicted QoS levels spatially for Component Carriers (CC) selections. By exploiting indoor positioning and QoS map, the proposed method is cable of suggesting users where to go in order to achieve sufficient wireless link qualities for selecting additional CCs (i.e., secondary CCs) and satisfy various service requirements. We conducted simulations to compare the performance of our proposed scheme with that of other approaches. The simulations demonstrate the ability of the proposed algorithm to recommend use locations for improving the CA performance in LTE-A system.. ii.

(4) Keywords: Long Term Evolution Advanced (LTE-A), Carrier Aggregation (CA), Femtocell networks, indoor Location Recommendation (ILR) algorithm, Quality of Services (QoS).. iii.

(5) 誌謝兩年的碩士生活就要在此告一段落，回想這一路上所經歷的人事物，總讓人有點捨不得離開這個曾培育我六年的師大。我很開心能夠在我大學畢業之際推甄上師大應電系碩士班，是這裡使我再度擁有了學習的機會，讓我從台下專心聽課的學生轉變成要提出疑問解決問題的研究生。而這段時間真的是段非常寶貴的人生經歷，不僅僅限於對專業知識的追求，更多時候是訓練自己的抗壓性與磨練自己面對問題解決問題的心態，同時也思索著未來的職涯方向與人生目標。. 在論文完成的這一刻，也就代表著碩士班生活劃下句點，而本篇論文能順利的完成，首先由衷感謝我的指導教授王嘉斌博士，在兩年的研究過程中我總是跌跌撞撞，但在老師悉心指導下，能夠適時地修正我錯誤的地方並且提供許多實質的建議，使我能夠逐步地完成這篇論文。而老師不只在研究上給予我幫助，更時常教導我們一些待人處事的道理，並在我研究低潮時分享一些他求學上的經歷，激勵我去面對這樣的難關。此外也要感謝口試委員元智大學方士豪博士與郭文興博士撥冗擔任口試委員，並對本論文提出精闢的見解與意見，使本論文能夠更加完善。. 研究所期間感謝尚宏學長、星融、昱翔和聖閔這群實驗室夥伴，不論是在研究上或是在生活上都受到大家很多的照顧與幫忙，與你們相處的日子也充滿許多快樂的回憶。感謝元杰與宜蒲學弟，自從你們兩個進來實驗室後，整個氣氛變得更加活躍，增添更多的歡笑，也謝謝你們的付出使口試當天能夠順利完成。感謝從大學時期就一路陪伴我到碩士班的同學欽德、東儒、俊智、昇儒、弘文、瑞安、紹偉，在課餘時光總能約出去吃飯聊天，讓我的碩士班生活更加多彩繽紛。感謝應電系系辦琇文、嘉安與婷節助教， iv.

(6) 在整個碩士班生活中總是不停的麻煩你們，幫忙我處理許多大大小小的事務。感謝劉麗娜老師與師大課外組全體人員，謝謝大家不論在我低潮或是煩憂時總能伸出援手，給我許多的建議，幫助我度過一次又一次的難關。一路走來幫助我的人實在太多，對於無法在寫在誌謝上的人真的十分的抱歉，在此摯上我最深的歉意與感謝之情，感謝你們給予我的幫助。. 最後，我想感謝我摯愛的家人，爺爺程枝凉先生、奶奶程廖足女士、父親程松煌先生、母親劉美華女士及姊姊程琬瑜女士，謝謝你們無私的付出與關懷，每每回到家中總能獲得滿滿安定心靈的力量，謝謝你們的陪伴，我才能在求學的路上不畏風雨的前進，也因為有你們的支持才造就今天的我。. 研究所兩年，真的過得非常的充實，過程中有歡笑也有淚水，但這一切都真實的成為我人生中難忘的一段經歷。最後我要再次感謝在這段日子一路陪伴我成長的大家，謝謝你們的支持與幫助，讓我能一路走到今日，沒有你們就沒有今日的程鈺錞，希望在未來的日子裡能夠繼續維繫著與你們之間的緣分，而這一切將會是我人生中珍貴的回憶。. 鈺錞謹誌於中華民國一零三年七月. v.

(7) 目錄摘. 要 ............................................................................................................ i. ABSTRACT ........................................................................................................ ii 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 ............................................................................................... 3 1.3 其他相關研究 ....................................................................................... 4 1.4 論文架構 ............................................................................................... 8 第二章相關知識介紹 ....................................................................................... 9 2.1 LTE 長期演進技術無線網路系統概述 ............................................... 9 2.2 LTE 系統模型簡介 ............................................................................. 14 2.3 LTE 系統物理層架構 ......................................................................... 19 2.4 LTE 系統媒體存取控制層架構 ......................................................... 24 2.5 LTE 毫微微蜂巢式基地台介紹 ......................................................... 26 2.6 LTE 載波聚合技術介紹 ..................................................................... 28 第三章本論文研究所提出之演算法............................................................. 33 3.1 研究做法之動機 ................................................................................. 33 3.1.1 研究動機之起源 ....................................................................... 33 3.1.2 Femtocell 的干擾模組與網路模組 .......................................... 34 3.2 室內位置推薦演算法之設計 ............................................................. 38 3.2.1 問題敘述與假設 ....................................................................... 38 vi.

(8) 3.2.2 室內位置推薦演算法之分量載波選擇 ................................... 41 第四章數值分析與模擬結果 ......................................................................... 49 4.1 模擬環境與參數設定 ......................................................................... 49 4.2 模擬結果與討論 ................................................................................. 50 4.2.1 服務的 HeNB 與固定位置的干擾源 HeNB .......................... 50 4.2.2 服務的 HeNB 與隨機位置的干擾源 HeNB .......................... 53 第五章結論 ..................................................................................................... 62 參考文獻 ........................................................................................................... 63 自傳 ................................................................................................................... 66. vii.

(9) 圖目錄圖 1-1、3GPP 對 LTE 各版本的規範 [12] ...................................................... 2 圖 2-1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖[14] ............... 11 圖 2-2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖[14] .......................................... 11 圖 2-3、LTE-A 系統之 CoMP 協調式多點傳輸示意圖[14] ......................... 12 圖 2-4、LTE-A 系統之 Advanced MIMO 增強型多天線傳輸示意圖[14] ... 13 圖 2-5、LTE 網路架構[15].............................................................................. 15 圖 2-6、LTE 通訊協定層的控制層面與用戶層面[2].................................... 15 圖 2-7、LTE 網路無線架構示意圖[15-16] .................................................... 16 圖 2-8、LTE 下行鏈路分配資源 RB 之規格[12-14][23] .............................. 21 圖 2-9、LTE 下行鏈路分配資源 RB 之規格[16-18] ..................................... 21 圖 2-10、LTE 系統之 FDD 訊框結構[17]...................................................... 22 圖 2- 12、LTE 系統 eNodeB 協議層[15] ....................................................... 25 圖 2-13、LTE 系統之無線介面整體協定架構[15]........................................ 26 圖 2-14、載波聚合種類[20]............................................................................ 29 圖 2-15、在 LTE-Advanced 系統中載波聚合支架構圖[1] ........................... 31 圖 2-16、服務細胞與載波示意圖[20]............................................................ 32 圖 3- 1、同層網路干擾情境下的網路模型範例 ........................................... 36 圖 3- 2、Femtocell 下的 PCC 與 SCC 選擇之示意圖 ................................... 39 圖 3-3、LTE-A femtocell 網路之下行鏈路載波聚合的情境 ........................ 39 圖 3-4、QoS 地圖與所對應的 SINR 及調變方式 ......................................... 42 圖 3-5、用戶介於服務的 HeNB 與干擾源 HeNB 間的 SINR Map ............. 45 圖 3-6、用戶介於服務的 HeNB 與干擾源 HeNB 間的斜率圖 .................... 46 圖 3-7、所提出的 ILR 演算法流程圖 ............................................................ 47 圖 3-8、所提出的 ILR 演算法虛擬碼 ............................................................ 48 viii.

(10) 圖 4-1、一個干擾源情況下的 SINR Map ...................................................... 51 圖 4-2、兩個干擾源情況下的 SINR Map ...................................................... 52 圖 4-4、使用 ILR 演算法之移動路徑圖 ........................................................ 55 圖 4-5、使用 ILR 演算法的吞吐量變化圖 .................................................... 56 圖 4-6、ILR 演算法在不同限制條件下之平均吞吐量 ................................. 57 圖 4-7、BIMs 與 ILR 總平均吞吐量比較圖 ................................................. 57 圖 4-8、在要求 64QAM 下的失敗例子 ......................................................... 59 圖 4-9、不滿足方程式(11)時的例子 .............................................................. 60. ix.

(11) 表目錄表 2-1、LTE 與 LTE-A 系統之比較[16] ........................................................ 14 表 2-2、LTE 系統相關參數[17]..................................................................... 19 表 2-3、LTE 系統相關參數[17]..................................................................... 20 表 2-4、LTE 系統下行鏈路 OFDMA 傳輸參數[17] ..................................... 24 表 3-1、QCI characteristics[23] ....................................................................... 37 表 3-1、在 LTE-A 中的 MCS、SINR 與頻譜效率關係 ............................... 43 表 4-1、模擬參數設定 .................................................................................... 49 表 4-2、在 SINR Map 中不同調變方式的機率 ............................................. 56 表 4-3、ILR 與 BIMs 使用 64QAM 限制下在不同環境大小之機率 .......... 59 表 4-4、各 UE 的 PCC 與 SCC 選擇表 .......................................................... 61. x.

(12) 第一章緒論. 1.1 研究動機與背景近年來，無線網路被廣泛地運用在生活中，主要原因之一為智慧型行動裝置的使用日漸普及化，行動用戶對於行動網路的需求也越來越大且多元發展，目前的 3G 無線通訊系統已無法滿足這樣大量且快速的資料傳輸。為了要提供大量資料傳輸的無線通訊網路服務，國際電信聯盟提出下一代行動通訊系統標準(International Telecommunication Union, ITU)，也就是 IMT-Advanced 或稱為 4G 行動通訊系統，而 IMT-Advanced 可以支持高速的資料傳輸速率，在靜態或是低速移動的環境下可以達到 1Gb/s，在高速移動的環境下則可達到 100Mb/s。. 3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出新的無線通訊系統長期演進技術 (Long Term Evolution - Advanced, LTE)，以 IMT-Advanced 標準為目標。在 LTE 系統中，3GPP 使用了正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)作為下行鏈路的主要架構，而上行鏈路則採用單載波分頻多工（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA），之所以上下行鏈路所採納系統不同，原因在於 OFDMA 會有過高的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，容易造成訊號的失真，而 SC-FDMA 的單載波架構，能夠讓訊號具有較低的峰值平均功率比。. 在 LTE 第八版(Release 8, R8)以前我們通稱為 LTE，LTE 第 10 版 1.

(13) (Release 10, R10)我們則稱為 LTE-Advanced(LTE-A)，而 LTE R8 並尚未達到 4G 標準，所以都稱 LTE 為 3.9G，直到提出了 LTE-A 後才真正進入了 4G 的時代。. Rel-8 December 2008 First release for ·LTE ·EPC/SAE. Rel-9 December 2009 ·LTE Home NodeB ·Location Services ·MBMS support ·Multi-standard BS. Rel-10 March 2011 “LTE-Advanced” ·Carrier aggregation ·Enhanced downlink MIMO ·Uplink MIMO ·Enhanced ICIC · Relays. Rel-11 ·Enhanced carrier aggregation ·Additional intra-band carrier. aggregation. 圖 1-1、3GPP 對 LTE 各版本的規範 [12]. 載波聚合(Carrier Aggregation)技術則是 LTE-A 中的一個關鍵技術，能將不同的載波聚集使用，獲得更大的頻寬傳輸資料，最高能夠同時聚合 5 個 20MHz 的分量載波(Component Carrier, CC)使傳輸頻寬達到 100MHz，如此一來能大量地增強傳輸效率且提高用戶效能，因此像是需要大頻寬的傳輸服務，如視訊串流、網路電視都能夠輕易地在 LTE-A 系統中被用戶使用，並且確保用戶的服務品質(Quality-of-Service, QoS)。用戶在使用載波時會將載波分成主要載波(Primary Component Carrier, PCC)跟次要載波 (Secondary Component Carrier, SCC)兩種，主要載波乘載著迴授訊號和控制訊號，而次要載波則單純乘載著數據封包。. 在高速網路的需求下，一般的大型蜂巢式網路基地台(Marcocell networks)會因為在高樓林立且人口稠密的都市環境中無法提供好的服務 2.

(14) 給用戶，然而毫微微型蜂巢式基地台(Femtocell networks)則能夠部署在建築物內以增加傳輸速率和覆蓋率，使用戶們能獲得更好的服務品質，對行動業者而言能夠提升室內通訊品質的毫微微蜂巢式基地台已經成為未來重點發展的項目之一。. 因此考慮到使用載波聚合在毫微微蜂巢式基地台情形，若在一個部署毫微微蜂巢式基地台密集的建築物內，相鄰基地台之間使用相同的頻帶必定會有互相干擾的情況產生，如何在室內的環境下有效地提升傳輸速率且確保用戶的服務品質成為各方相爭研究之課題。藉由位置推薦使用戶能夠避開干擾較嚴重的區域並且有效地提升傳輸速率和滿足用戶的服務品質，成為本論文探討的重點。. 1.2 研究目的由於目前無線網路技術的進步，以及智慧型行動裝置普及化，造就了周邊多種應用程式快速發展，對於網路速度的需求也更加吃重，而部署在室內的毫微微蜂巢式基地台能夠有效的提升傳輸速率和覆蓋率，解決對於網路速度的需求，但衍伸而來的問題則是在密集部署的環境中，相鄰基地台間使用相同頻帶時會產生干擾，如何在載波的挑選上避開干擾較多的頻帶和推薦一個更好的位置以便獲得較好的訊號與干擾加雜訊比 (Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)滿足用戶的服務品質成為我們討論的重點。. 本論文欲達成之目的如下： 1. 設計載波選擇方案，使用戶在載波選擇上能夠有效避開干擾嚴重之 3.

(15) 頻帶。 2. 設計位置推薦演算法，藉由推薦位置改善用戶的傳輸品質以及調變方式，並且滿足用戶的服務品質。 3. 提升用戶的吞吐量。. 1.3 其他相關研究近年來 LTE-A 載波聚合的相關研究迅速增加，越來越多人發現載波聚合技術對整個 LTE-A 系統的重要性，便開始有許多學者提新穎的資源塊分配與設計(Resource allocation)、傳輸功率控制(Power Control)、頻帶的干擾分析(inter-band and intra-band interference)、分量載波選擇方案(Carrier Scheduling)…等，而大部分的論文都專注在大型蜂巢式基地台的傳輸情境下，而較少探討在毫微微蜂巢式基地台的情境下的載波聚合技術應用，我們認為毫微微蜂巢式基地台網路是解決未來在人口稠密都會區提升傳輸速率與覆蓋率的方案之一，搭配載波聚合技術必定能夠有效地滿足用戶們對高速網路的需求。. 文獻[1]-[3]概述了 3GPP LTE-Advanced 載波聚合的發展跟技術，說明載波聚合的部署環境、設計的準則、向後相容性問題，而後又說明在不同層之間設計上的概念，進一步探討上下行鏈路控制設計和各訊號的功用，統合整個系統的知識並提供未來在這些架構中可以值得探討與改善的地方。. 文獻[4]中主要分析了在多載波的系統中的載波負載平衡和封包排程的情形，利用簡單的 Round Robin (RR)和 Mobile Hashing (MH)兩種方法模擬分析，並且提出了在 Layer 2 的跨分量載波的封包排程方法，改善效能 4.

(16) 與資源分配的公平性，雖為早期的研究，但提供了很多相當詳細的作法與探討。. 在文獻[5]中，研究了載波聚合技術在 LTE-A 系統上行鏈路的效能表現，提出了他們的分量載波分配方案，將 LTE-A 的 UE 分為有功率限制 (Power-limited)或沒有功率限制(non-Power-limited)兩種，而使用多載波傳輸時會造成 PAPR 的上升，為了要減緩 PAPR 過高的問題提出了功率回退 (Power back-off)機制，分析使用不同的功率回退參數觀察效能表現，模擬結果表現，此方案能夠顯著的提升細胞中央跟平均的效能表現。. 文獻[6]提出另一種分量載波選擇方案，基於路徑損耗門檻(Pathloss threshold)決定用戶的是否有功率限制，分析門檻值設定的高低對於整體系統吞吐量的影響，結果顯示門檻值設定過高造成原本沒有功率限制的用戶無法獲得好的效能表現，設定過低則會讓有功率限制的用戶會拖低整體的吞吐量，而提出的方法會比盲目的分配載波給所有的 LTE-A UE 得到較好吞吐量表現，不論在細胞中央、邊緣和平均都有著顯著的提升。. 文獻[7]分析了不同載波分配演算法在 LTE-A 系統中的效能表現。文獻中提到了兩個直觀的載波分配方案，共同用戶排程方案(Joint User Scheduling, JUS)與分散隨機用戶排程方案(Separated Random User Scheduling, SRUS)，共同用戶排程方案能擁有最佳的效能表現同時伴隨很高的複雜度，相反地分散隨機用戶排程方案會獲得差的效能表現同時在設計上也能得到低複雜度。作者提出了一個綜合兩者的方案，分散突發等級排程(Separated Burst-Level Scheduling, SBLS)，增加可接受複雜度並有效提升效能的表現，結果顯示 SBLS 整體的效能比隨機分配的 SRUS 方案提升 5.

(17) 了許多。. 文獻[8]-[10]研究 Femtocell 網路下的自治式載波聚合選擇(Autonomous Component Carrier Selection, ACCS)以及對 Femtocell 環境下原有的舊問題提出新的看法。內文指出 HeNB 被期待在未來能夠被用戶大量地設置在居家環境中，而這樣的設置有利於動態頻寬的重新使用，也就是所謂的自治式載波選擇，而 HeNB 能夠動態地選擇在這個區塊內的可用的載波，使用的數量最少可使用一個到最多可以使用這個區域內可用載波的最大數量。 HeNB 會自治地選擇分量載波，藉由偵測與相鄰基地台之間的干擾情形或是目前流量情況。作者提出了一個分配的方案，基於背景干擾矩陣 (Background interference matrices, BIMs)的自治式載波聚合選擇演算法。模擬結果提出來的方案能夠有效地允許每個 HeNB 去選擇最有吸引力的頻段，改善了用戶們的平均能力以及促進基地台邊緣的效能。. 文獻[11]中提出了兩個干擾緩和策略，藉由調整 Femtocell 用戶的最大功率去抑制 Marcocell 對 Femtocell 的跨階層干擾(Cross-tier interference)。內文提到功率控制分成兩種模式，開迴路(Open-loop)和閉迴路(Close-loop)控制兩種，藉由這兩種控制方式去抑制跨階層的干擾同時小於一個固定門檻值和自適應的門檻值，而這個門檻值會基於 Marcocell BS 所提供的雜訊和干擾值(Noise and interference, NI)。. 文獻[12]研究在小型蜂巢式網路環境下支援 256QAM 的通道品質指標 (Channel quality indicator, CQI)列表的設計，藉由所收到通道品質指標動態地決定調變與編碼方案(Modulation and coding scheme, MCS)，原本的通道品質指標列表只設計到 QPSK、16QAM 到 64QAM，而在小型蜂巢式網路 6.

(18) 下較能夠獲得較高的 SINR 使用更好的調變方式，為了要使在這樣的環境下獲得更好的吞吐量，作者提出了新的演算法將原本的 CQI Table 擴展為包含 256QAM 的 CQI Table，能夠有效地提升 95%與平均用戶的吞吐量。. 文獻[13]提出對 Shannon capacity bound 的一個修改之後的形式，而這樣的修正是為了要更精確地使用在 LTE 系統中。這個方法被普遍應用在無線通訊系統中，同時在這篇文獻裡也使用了 LTE 的 air-interface 的技術。被調整過的 shannon capacity 方程式內考量頻譜效率和 SNR 效率，不過為了要區分不同問題，則簡化了參數的選取。結果顯示使用調整後的 shannon capacity 方程式並結合 G-factor 分布，使用在 marco cell 與 micro cell 的情境下，LTE cell 的頻譜使用率(Spectral efficiency, SE)在預期和模擬結果得到的數值，只有 5-10%的誤差。. 回顧過往的研究，我們發現大多數的載波選擇演算法都是研究在大型蜂巢式網路底下的情境，我們認為載波聚合技術使用在毫微微型蜂巢式網路下能夠更有效地發揮載波聚合的能力，但隨之而來的便是大量部署後所產生的干擾問題，容易使得用戶受到其他基地台的干擾，如何避開干擾源使接收到的 SINR 提高，使用戶在室內中能夠使用更多的載波達到吞吐量提升則為我們考量的要點。. 本論文提出的使用載波聚合的室內位置推薦演算法用於 LTE-A 系統網路下，於滿足各用戶不同 QoS 需求下，藉由使用室內位置演算法提升效能表現，執行結果分為兩個階段，第一步必須滿足用戶最低使用 SCC 的 SINR 需求，挑選較沒有受到干擾的頻段傳輸資料，其次為若用戶所在位置無法提供好的 SINR 傳輸資料，便推薦用戶前往區域中較好的位置，使用戶能 7.

(19) 夠獲得較好的訊號進行傳輸。. 1.4 論文架構本論文組織如下：第一章為緒論，第二章說明 LTE 無線網路系統相關知識，第三章詳細說明本論文所提出位置推薦演算法，第四章說明模擬結果與討論，第五章為本論文之結論。. 8.

(20) 第二章相關知識介紹. 2.1 LTE 長期演進技術無線網路系統概述無線網路的發展從許久之前便已開始進行，1947年貝爾實驗室以蜂窩概念作為基礎，提出了第一代行動通訊技術(first generation，1G)如類比蜂巢式系統(Analog cell system)，然而第一代蜂巢系統在實行上缺乏統一的標準規範，並阻礙了1G的發展。第二代行動通訊技術 (Second generation, 2G) 之全球行動通訊系統（Global System for Mobile Communications, GSM）是我們目前語音通話的主要技術，2G系統只針對語音訊息(voice)作傳遞處理，而隨著網際網路(Internet)快速發展，人們開始重視數據資料(data)的傳遞，因此推出了2.5G技術，2.5G中加入通用封包無線服務技術(General Packet Radio Service, GPRS)，可分別傳遞數據訊息和語音訊息。而後又發展至 2.75G系統，增強資料GSM演進技術 (Enhanced Data rates for GSM Evolution, EDGE)，此技術是使用8PSK(Phase Shift Keying)，相較於GSM系統之傳輸速率可至原來的三倍。人們期盼未來能夠在行動裝置上能夠處理影像、音樂、網頁瀏覽、電話會議…等多媒體(multimedia)應用，在第三代行動通訊技術 (third generation, 3G)系統的出現正搭上這個潮流。3G的協定有非常多，像是歐洲之寬頻分碼多工 (Wide band Code Division Multiple Access, WCDMA)、美國之CDMA2000(Code division multiple Access 2000) 以及大陸發展之TD-SCDMA(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)都是屬於3G協定的成員，而這三種標準都是CDMA技術，但在關鍵的細節設定上有許多不同之處，因此彼此互不相容。當3G技術發展後，WCDMA陣營從1998年年底開始，結合歐洲的ETSI、美國ATIS、日 9.

(21) 本ARIB、韓國TTA等即發起成立了第三代行動通訊夥伴計畫組織(third generation partnership project, 3GPP)以優化WCDMA標準。近年來，寬頻無線技術快速發展，國際間分成WiMAX與LTE兩大陣營進行研究，後來由 3GPP所提出的LTE系統漸漸勝出，而成為目前主流的技術。根據國際電信聯盟 (International Telecommunication Union, ITU)所提出的IMT-Advanced 標準中定義：用戶低速移動的狀態下，下鏈(Downlink)傳輸速率達到1Gbps，高速移動狀態下傳輸速率達到100Mbps，而IMT-Advanced也就是我們所俗稱的4G行動通訊系統。2008年12月正式發表了LTE Release 8 定義了LTE 的基本功能，而在Release 9中新增Beam forming與定位之功能，而在LTE R8/9並未達到IMT-Advanced的標準，所以只能稱為3.9G，在LTE Release 10 中因為符合IMT-Advanced的標準，而我們稱LTE第10版之後的版本為 LTE-Advanced，也正式被稱為4G。. 日前發展之 LTE-Advanced 延伸了 LTE 的功能，為了達到 IMT-Advanced 的基本要求以及提供更優質的服務品質保證，LTE-Advanced Standard[16]簡介以下數種重點發展技術： 1. 載波聚合(Carrier Aggregation, CA)：以 LTE 現行載波架構為基礎，集合兩個或以上的載波以形成更大頻寬之載波，最大可聚集五個載波，而最大頻寬可達到 100MHz，並可向下相容 LTE Release 8 版本，而此技術為 LTE-A 達到 4G 標準的重要技術之一，能夠有效地利用分散的載波資源，使用戶能夠大幅提升傳輸速率，獲得更好的用戶體驗。. 10.

(22) 100MHz. CC #1. CC #2. CC #3. CC #4. CC #5. f 圖 2-1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖[14]. 2. 中繼站(Relay)：中繼站是為了改善 eNodeB 的服務涵蓋範圍以及用戶的通訊體驗，藉由增加中繼站有效地擴展服務區域，而架設中繼站(Relay Node, RN)可接收、增強並重新發射下行鏈路與上行鏈路之訊號以改善接收狀況，圖 2-2 為示意圖。. eNB. eNB RN. RN. 圖 2-2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖[14] 3. 協調式多點傳輸(Coordinated multi point transmission and reception, 11.

(23) CoMP)：主要使用在基地台邊緣的情況，考量到用戶若處於基地台邊緣，所接收到的手機訊號較低，藉由 CoMP 除了可向本身註冊之基地台可傳輸資料外，也可向相鄰的基地台註冊，註冊後亦可傳輸資料，達到較好的用戶體驗，因為與相鄰基地台註冊，所以基地台間必須要協調排程 (schedule)去安排用戶的資料傳輸以及調整波束成形(Beam Forming)的角度，藉此達到有效傳輸，如圖 2-3 所示。. Cell 2. Cell 1 Cell 3. 圖 2-3、LTE-A 系統之 CoMP 協調式多點傳輸示意圖[14]. 4. 增強型多天線傳輸(Advanced MIMO)：此技術能夠提升頻譜使用效率。 LTE-Advanced 之所以符合 4G 標準，其一為增加使用頻寬，其二則提升頻譜使用率，而頻譜使用率的解決方法則為提升 MIMO 天線數。在 LTE Release 8 版本中定義下行鏈路 4×4 以及上行鏈路 1×2 之 MIMO 傳輸模式，而 LTE-Advanced 定義了下行鏈路 8×8、上行鏈路 4×4 的多天線傳輸模式，與先前的 LTE Release 8 相比下行鏈路提升兩倍，而上行 12.

(24) 鏈路提升四倍的頻譜使用效率，大幅提升頻譜使用效率，使得傳輸速率也能大幅度的提升，如圖 2-4 所示。. eNB UE. 圖 2-4、LTE-A 系統之 Advanced MIMO 增強型多天線傳輸示意圖[14]. 表 2-1 為 LTE 與 LTE-A 系統之比較表，可從表格中發現 LTE 與 LTE-A 有許多的差異，而兩者最大的差異點在於用戶下行鏈路傳輸速率從過去之 150Mbps 提升至 1Gbps，上行鏈路傳輸速率從 75Mbps 提高至 500Mbps。而因為 LTE-A 使用了載波聚合技術，使得在下行鏈路傳輸頻寬從過去只能使用一個 20MHz 載波大幅提升至使用 5 個載波達到 100MHz，而上行鏈路傳輸頻寬也從 20MHz 增加至 40MHz，從系統容量觀察可發現 LTE-A 比 LTE 多出三倍的系統容量。. 13.

(25) 表 2-1、LTE 與 LTE-A 系統之比較[16] Technology Downlink Peak data rate (DL) Uplink Peak data rate (UL) Transmission bandwidth (DL) Transmission bandwidth (UL). LTE 150 Mbps. LTE-Advanced 1 Gbps. 75 Mbps. 500 Mbps. 20 MHz. 100 MHz. 20 MHz. Mobility.  Optimized for low speeds (<15 km/hour)  High Performance at speeds up to 120 km/hr  Maintain Links at speeds up to 350 km/hour Full performance up to 5 km. 40 MHz (requirements as defined by ITU) Same as LTE. Coverage. Scalable Band Widths Capacity. 1.4,3, 5, 10, and 20 MHz.  Same as LTE  Should be optimized or deployment in local areas/micro cell environments Up to 20–100 MHz. 200 active users per cell in 3 times higher than that 5 MHz in LTE. 2.2 LTE 系統模型簡介. 3GPP LTE 系統架構在 TS 36.300 [15]中有詳細說明，LTE 系統架構可分為核心網路(Evolved Packet Core Networks, EPC)與無線架構（Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN）兩部分。核 14.

(26) 心網路主要建立在全 IP 網路架構與多重網路存取架構。在訊息傳輸方面分為用戶層面(user plane)與控制層面(control plane)，藉此區分網路控制封包和用戶實際傳輸的資料封包。. 3GPP E-UTRAN UE. eNB. S1-MME S1-U. 3GPP EPC S6 HHS MME S11. X2 UE. S1-MME. eNB. Internet (Operator's IP Services). S-GW. S5. P-GW. S1-U. 圖 2-5、LTE 網路架構[15]. UE. eNB. MME NAS. NAS RRC. RRC. PDCP. PDCP. RLC. RLC. MAC. MAC. PHY. PHY. PHY. PHY. Control plane UE. eNB PDCP. PDCP. RLC. RLC. MAC. MAC. PHY. PHY. PHY. PHY. User plane. 圖 2-6、LTE 通訊協定層的控制層面與用戶層面[2] 15.

(27) 在無線架構部分 E-UTRAN 包含了用戶設備(User Equipment, UE)與基地台(eNodeB)，E-UTRAN 在下行鏈路使用正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)通訊技術，可支援分頻雙工 (FDD)與分時雙工(TDD)模式，而上行鏈路則採用單載波分頻多工 (Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)以及支援多種不同之頻寬(1.4M-20 MHz)。 E-UTRAN 負責無線訊號的控制與資料處理，包括有無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)、用戶排程 (Scheduling)、權限控制(Admission Control)、服務品質(Quality of. Service,. QoS)、資料加解密自動重傳請求/混合自動重傳請求(ARQ/HARQ)等功能，除此之外與 EPC 核心網路進行資料交換的任務也是由 eNodeB 負責。 eNodeB 會透過 S1 的空中介面(Air Interface)跟 EPC 核心網路進行溝通與連結，而 eNodeB 間則是透過 X2 的進行溝通，如圖 2-5 所示。. EPC. MME/GW. MME/GW. S1. S1. S1. S1. X2. E-UTRAN eNodeB. eNodeB. X2. X2. eNodeB. 圖 2-7、LTE 網路無線架構示意圖[15-16] 16.

(28) LTE 系統中之 eNodeB 有許多任務要執行，其中一項重要之任務為─ 用戶排程，eNodeB 裡的排程器(scheduler)必須將頻寬切割成為可用的資源塊(Resource block, RB)，並將資源塊分配給用戶使用，使用戶能夠將資料藉由資源塊傳送出去。在目前 LTE-A 系統版本中，因加入載波聚合及相關技術，使下行鏈路的傳輸速率最快可達 1Gbps，傳輸頻寬也可達到 100MHz。在 LTE-A 系統內部將網路整合成一個單一網路-全 IP 網路(all-IP Network)，並在此網路中進行訊號的處理，捨棄了以前電信架構中將語音資料與數據資料分別在線路交換領域(Circuit-Switched Domain, CS domain)與封包交換領域(Packet-Switched Domain, PS domain)的方式。因為改成全 IP 網路架構，使得整個系統統架構變為簡單，無論語音或是數據資料都可以完全以封包 (Packet)的形式傳輸，這樣的方式有效地提高網路利用率(efficiency)。改變架構後雖然有優點，但也衍伸出了一些問題，最具代表性的例子為 VoIP(Voice over Internet Protocol, 亦稱為網路電話)服務，在全 IP 網路中要維持其服務品質(Quality of service, QoS)是相當具有挑戰性的，因為 VoIP 屬於即時性服務(Real Time, RT)，即時性的服務在延遲時間(Delay time)與封包遺失(Packet loss)的要求上有相當高的要求，而 IP 網路的封包交換特性，會使得封包在傳送時會造成封包傳送時間顫動 (Jitter)、封包遺失 (Packet Loss)及封包延遲時間過長 (Long Delay)等問題。. EPC 為 LTE 核心網路的部份，在設計上為了降低整個核心網路複雜度便設計為全 IP 網路協定的多重存取核心網路，營運商可以在此網路中與各種不同的存取網路進行連結，如 3GPP 無線存取網路(LTE、LTE-A、3G、 2G)、其他無線存取網路(WLAN、WiMAX)以及有線存取網路(Ethernet、 DSL、Cable、Fiber)，這樣的架構可期望增加系統覆蓋範圍與之間的相容性，更重要的是在降低營運成本之餘，同時又得以增加用戶的傳輸速率。 17.

(29) EPC 的組成主要分成三個子項目：移動性管理組件（Mobility Management Entity, MME）、服務閘道(Serving Gateway, S-GW)與封包資料網路閘道(Packet Data Network Gateway, PDN-GW)。MME 為核心網路管理者，主要任務為處理來自控制層面的訊息，演進數據封包系統(Evolved Packet System, EPS)業務承載(Bearer)管理、非存取層(Non-access Stratum, NAS)安全管理及閒置模式(Idle Mode)時的移動管理等功能，此外 MME 還有一個特別的功用，利用 S3 介面與 2G/3G 無線通訊系統進行移動控制的溝通。. 服務閘道 S-GW 主要的任務為處理核心網路中資料傳輸、傳遞用戶的封包資料、系統中用戶層面的訊息及 eNodeB 之間的換手服務，利用 S4 介面與 2G/3G 無線通訊系統進行資料封包的傳遞與交換工作也是 S-GW 負責的項目之一。封包資料網路閘道 PDN-GW 是核心網路與外部網路連接之介面，主要任務為在 LTE 網路中的訊息控制閘道器以及與其他非 3GPP 網路進行資料收送，透過 S5 傳輸介面與 S-GW 溝通。在此結構中支援計算費用，並且提供手機和外界的網路連線，其概念為網路的中介點，此中介點介於 3GPP 無線網路與非 3GPP 的通訊網路。. 18.

(30) 2.3 LTE 系統物理層架構根據3GPP Physical Layer Standard [17]，LTE在物理層(Physical Layer, PHY Layer)提出了新的資源傳輸模型，在頻寬有限的情形下，為了能使頻段靈活地運用，LTE系統設計六種不同的傳輸頻寬分別為在1.4、3、5、10、 15和20 MHz間，如表2-2所示。表 2-2、LTE 系統相關參數[17] Channel bandwidth BWchannel [MHz]. Transmission bandwidth configuration NRB. Transmission bandwidth configuration BWconfig [MHz]. 1.4 3 5 10 15 20. 6. 1.08. 15 25 50 75. 2.7 4.5 9 13.5. 100. 18.0. LTE中上下行鏈路使用不同的傳輸技術，下行鏈路中使用正交分頻多工技術(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)，而上行鏈路使用單載波分頻多工技術(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FMDA)，在分工模式方面支援之分工模式有全雙工分時多工模式(TDD)、半雙工分頻多工模式(half-duplex FDD)以及全雙工分頻多工模式 (FDD)。調變(Modulation)方式支援四位元相位偏移調變 (Quadrature phase-shift keying, QPSK)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)與 64QAM，其餘服務技術如功率控制、支援混合式自動重送請求(HARQ)、以及鏈路調整機制，如表2-3所示。. 19.

(31) 表 2-3、LTE 系統相關參數[17] Bandwidth. 1.4-20 MHz. Duplexing. FDD, TDD, half-duplex FDD. Mobility Multiple access. 350 km/hr Downlink Uplink. MIMO. Downlink Uplink. Modulation. OFDMA SC-FDMA 2 X 2, 4 X 2, 4 X 4 1 X 2, 1 X 4 QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Channel coding. Turbo code. Other techniques. Channel sensitive scheduling , Link adaptation, Power control, HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request). LTE系統在資源分配中以資源塊 (Resource Block, RB)當作基本的傳輸單位[17]，而RB為是頻域(Frequency domain)與時域(Time domain)所結合而成的，對頻域而言每個RB是由12個子載波(Subcarrier)所組合而成，而每個子載波有180kHz的頻寬，對時域而言則由兩個時槽(Time slot)所組成，一個時槽為0.5ms，如圖2-8、2-9所示。. 20.

(32) Unit Resource Block. …… Total System Bandwidth. Unit Resource Block. 180 kHz. Two time slot 12 subcarrier. 圖 2-8、LTE 下行鏈路分配資源 RB 之規格[12-14][23]. Downlink slot. 12 subcarriers. Resource Block: 7 symbols X 12 subcarriers (short CP), or; 6 symbols X 12 subcarriers (long CP). 1 Symbol. Control Channel Region. 圖 2-9、LTE 下行鏈路分配資源 RB 之規格[16-18]. 21.

(33) 圖 2-10 為 LTE 系統中 FDD 訊框結構，一個完整的訊框(Frame)長度為 10 ms，由 10 個子訊框(subframe)所組成，1 個子訊框中為 1ms 由兩個時槽 (time slot)組成。每一個時槽內會根據前置循環字首(cyclic prefix)的不同而配置不同數量的符元(Symbol)，在使用一般前置循環字首(normal CP)時，資源區塊在時間的長度為 7 個符元(symbol)；而使用延伸前置循環字首 (extended CP)時，資源區塊在時間的長度為 6 個符元。. One radio frame, Tframe = 10 ms One slot, Tslot = 0.5 ms Slot #0. Slot #1. Slot #2. Slot #3. ·····. Slot #19 Slot #20. One subframe. CP Symbol #0. CP. Symbol #0. · ··. CP Symbol #6. Normal Cyclic Prefix. ···. CP. Extend Cyclic Prefix. Symbol #5. 圖 2-10、LTE 系統之 FDD 訊框結構[17]. PHY 層的資料傳輸率可對應到所分配的 RB 上, rh 可被表示成如下列式子：. (1). 這裡的. 為對應到 MCS(Modulation and Coding Scheme) h 的編碼率 22.

(34) (code rate)，而 h ∈ {1, 2, . . . , H}；Mh 為 MCS. h 星座圖的大小；Ts 為. OFDM 符元的長短；NRB 為有多少 OFDM 的符元在一個 RB 中；SCRB 為一個 RB 中資料承載的子載波數量。. 圖 2-11 為 LTE 系統之 TDD 訊框結構，TDD 的訊框長度與 FDD 訊框長度同為 10ms，其組成亦包含了 10 個子訊框，每一個子訊框為 1ms，亦可換算總共有 20 時槽，每個時槽為 0.5ms。在訊框中的子訊框 1 和 6 為特別子訊框，其中包含三個部份，分別為 DwPTS(downlink pilot time slot)、 GP(guard period)與 UpPTS(uplink pilot time slot)。. . DwPTS(downlink pilot time-slot)：放置 downlink 信號. . GP(guard period)：使 DwPTS 與 UpPTS 有轉換時間. . UpPTS(uplink pilot time-slot)：放置 uplink 信號. One radio frame, Tframe = 10 ms Tsubframe = 1 ms. (special subframe #6). (special subframe #1). ···. Subframe #0. UpPTS. DwPTS. Subframe #7. Subframe #9. UpPTS. DwPTS. GP. ···. GP. 圖 2-11、LTE 系統之 TDD 訊框結構[17]. 表2-4為LTE系統下行鏈路OFDMA傳輸參數，其中列舉出LTE系統使用頻寬從1.4~20 MHz時下行鏈路使用之各種參數，如訊框持續時間、子載波之頻率、取樣之頻率、OFDM Symbol個數與頻寬對應之RB數量。. 23.

(35) 表 2-4、LTE 系統下行鏈路 OFDMA 傳輸參數[17] Transmission BW (MHz). 1.4. 2.5. 5. Sub-frame duration (ms). 0.5. Sub-carrier spacing (kHz). 15. 10. 15. 20. Sampling frequency (MHz). 1.92. 3.84. 7.68. 15.36. 23.04. 30.72. FFT size. 128. 256. 512. 1024. 1536. 2048. 50. 75. 100. 7/6. OFDM symbol per slot (short/long CP). 180. PRB bandwidth (kHz) Number of available PRBs. 6. 12. 25. 2.4 LTE 系統媒體存取控制層架構在LTE系統中為了要提高資源使用效率以及系統彈性，在整個系統設計上使用了動態排程機制，藉由將服務種類分類，將不同的服務對應到不同的資料流上，針對不同類型的應用提供相對應的服務以滿足其所需的服務品質(QoS)。QoS機制與資料傳輸密切相關，而資料傳輸則是在LTE通訊協定中的第二層(Layer 2)所運作的，接下來會詳細介紹Layer 2的架構。. 根據3GPP Standard[15]，第二層主要包含封包資料匯聚通訊協定 (Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、無線連結控制(Radio Link Control, RLC)、媒體存取控制(Medium Access Control, MAC)三個子層 (Sublayer)，如圖2-12所示。. 24.

(36) Radio Bearer. Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Radio Link Control (RLC). Layer 2 Logic Channels. Medium Access Layer (MAC) Transport Channels. Physical Layer (PHY). Layer 1. Physical Channels. 圖 2- 12、LTE 系統 eNodeB 協議層[15]. 1.. PDCP：負責的主要功能有資料封包的標頭(Header)壓縮與解壓縮、資料加密/解密、資料完整性的保護。. 2.. RLC：主要的功能為對資料進行切割及組合，使之成為適當大小，並且扮演配合上下層互動進行資料單元收發的角色. 3.. MAC：負責排程(Scheduling)、多工(Multiplexing)，也具備混合式自動回覆請求重傳(HARQ)功能，防止資料遺失。. LTE系統架構中eNodeB無線介面之整體協定架構如圖2-12所示。首先邏輯通道(logic channel)在RLC與MAC層間，傳輸通道(transport channel)則在MAC與PHY層間，邏輯通道根據傳輸的訊息來區分，傳輸通道按照傳輸的特性來區分，實體層以下為實體通道(Physical Channel)用來對應到另一端的實體層。. 25.

(37) RLC Logical Channels. MAC Transport Channels. PHY Physical Channels 圖 2-13、LTE 系統之無線介面整體協定架構[15] 1. 實體通道（physical channel）：此通道為真正傳送資料的通道，訊號會經過無線射頻模組發射於空中之通道傳送至接收端達到資料傳輸的目的。 2. 邏輯通道（logic channel）：與上層在傳輸資料時所會將資料分成特定型態資訊，一般而言邏輯通道可分成兩類： (1) 控制通道(control channel)：傳輸控制層面(control plane)之資訊。 (2) 業務通道(traffic channel)：傳輸用戶層面(user plane)之資訊。 3.. 傳送通道（transport channel）：連結 MAC 層與 PHY 層，描述資料是如何在空中介面上傳送。. 2.5 LTE 毫微微蜂巢式基地台介紹現今大型蜂巢式行動通訊網路隨著用戶的需求增加，漸漸地不敷使用且經濟效益也變得更少。其原因在於都市環境屬於高密度區域，在高密度區域要提供用戶較高的傳輸速率必須要增加基地台數量，增加基地台數量 26.

(38) 則會導致架設網路的成本增加。在文獻中有提到許多的降低營運花費的方式，像是自我配置、自我佈建、自我組織等方法，而在資料傳輸率也可以藉由多輸入多輸出技術、改善排程機制等方式而有所提升，但這些接決方式仍然受限於在這個大型蜂巢式基地台的服務範圍中，所有的頻寬會平分給所有的用戶，每一個用戶得到的頻寬資源便會下降，進而影響了用戶的資料傳輸量。. 近年來的技術快速發展，許多業者與學者都看好更小型蜂巢式細胞的發展─毫微微型基地台(Femtocell)，毫微微型基地台又稱為家用型基地台，其覆蓋範圍小、低功率、低成本且用戶可自行安裝，用戶可以透過家用網路來連結家用基地台，建構一個小型無線網路環境。. 毫微微型基地台與大型蜂巢式基地台相比有許多的優勢[19]， 1. 低功率：毫微微型基地台的發射功率為 10mW~100mW，比起我們經常使用的 WiFi AP 還要低。 2. 覆蓋率與傳輸容量較佳：由於可以安裝在室內，大幅提升了對室內的覆蓋率，也因為能夠架設在室內，用戶與基地台間距離縮短，路徑損耗也能夠降低許多。建築物的外牆會使大型蜂巢式基地台的訊號造成一定程度的損耗，而建築物的隔間也會使毫微微型基地台的訊號無法對相鄰的毫微微型基地台造成較大的干擾，在干擾降低及路徑損耗降低的情形下，用戶的訊號品質也能獲得明顯的提升，使用同一區域內的用戶能夠使用更好的調變方式進行傳輸資料，並且夠有效提升頻譜使用率。 3. 簡易的基地台設置： 27.

(39) 用戶能夠自行安裝基地台，後端只需要連結家用網路的路由裝置，再請業者進行啟用的動作便能夠完成設置。 4. 分散大型蜂巢式基地台的服務：毫微微基地台只能服務 1~4 個用戶，而每個用戶能夠分配到較多資源，反觀大型蜂巢式基地台，其覆蓋範圍大 (500 公尺~1 公里)，服務的用戶眾多，若將資源平分給每一個用戶，則用戶所獲得的資源會非常少，使得用戶的服務體驗變差。藉由毫微微型基地台的設置，能夠將室內的用戶分配到毫微微基地台服務範圍，有效地分散大型基地台的使用量，大型蜂巢式基地台便可將資源集中於室外的行動用戶身上，提供較好的服務品質。. 2.6 LTE 載波聚合技術介紹在 2008 年 12 月提出的 3GPP LTE-Advanced 標準， LTE-Advanced 期望技術與效能上的表現，能夠在未來滿足 IMT-Advanced 系統要求，使行動用戶可以得到更高的傳輸速率，並且在高速移動的情況下能夠達到 1Gbit/s 的傳輸速率；在靜止或是行走的情形下能夠達到 100Mbit/s 的傳輸速率[1]。. LTE-Advanced 系統可以完全兼容先前所提出的 LTE 系統，更重要的是，LTE-Advanced 的峰值數據傳輸、傳輸頻寬、峰值平均的頻譜效率和延遲表現在控制、使用者和行動裝置的設定中都能夠完全滿足，甚至超過 IMT-Advanced 的綜合要求。下列圖表將會將峰值頻譜效率(Peak spectrum efficiency)、平均頻譜效率(Average spectrum efficiency)、基地台邊緣頻譜效率(Cell-edge spectrum efficiency)和操作的頻寬(Operating bandwidth)四個項目在 IMT-Advanced、LTE 及 LTE-Advanced 做個比較。. 28.

(40) 為了要達到高速資料傳輸速率，在 LTE-A 中使用了載波聚合(Carrier Aggregation , CA)技術，載波聚合使用兩個或兩個以上的分量載波 (Component Carriers)進行傳輸，最高可以達到傳輸頻寬 100MHz。. 載波聚合分為三種，第一種，為同頻段內連續性的載波聚合(Intra-band, contiguous CA)，第二種，為同頻段內不連續性的載波聚合(Intra-band, noncontiguous CA)，第三種，為不同頻段不連續性的載波聚合(Inter-band, non-contiguous)，如圖所示。. Intra-band, contiguous. CC #1. CC #2. CC #3 f. Band 1. Intra-band, non-contiguous. CC #1. CC #2. CC #3 f. Band 1. Inter-band, non-contiguous. CC #1. CC #2 Band 1. CC #3 Band 2. f. 圖 2-14、載波聚合種類[20]. 由圖中可將載波分為兩方面看，第一為同頻段與不同頻段，其次為連續與不連續。頻段的不同便是代表其通道特性的不同，同一頻段的載波彼此之間的特性也較為相同，所以使用上不須多做特別多的考量，若是聚合其他頻段的載波則必須考量其通道特性適不適合使用更快速的調變方式傳輸。連續性的載波在資源的分配上較為方便，而且可以利用載波間相交的保護頻寬利用更多的資源傳輸資，非連續性的載波則能夠有效地運用分散的載波資源，回收利用分散各處零散的載波，達到提高頻譜使用率的效 29.

(41) 果。. 從實際使用上探討上述所說的 CA 種類都能夠給 LTE-A 的用戶裝置 (User Equipment)使用，考量到用戶裝置本身的複雜度、成本、自身能力以及功率消耗，可發現連續性的載波聚合能夠輕易地被用戶裝置所使用，而且不用改變 LTE-A 實體層的架構。. LTE-A 的用戶裝置能使用單一的快速傅立葉轉換(FFT)模組與射頻(RF) 元件去實現連續性的載波聚合，並且同時能相容 LTE 系統。相較於非連續性載波聚合，連續性載波聚合也更容易能夠執行資源分配與管理的演算法。. 根據現有的頻譜分配方針和實際情況，在 4GHz 以下的低頻帶是非常稀有且珍貴的，所以很難分配一個連續 100MHz 的頻寬給行動網路使用。因此非連續性的載波聚合技術提供了一個非常實際的方法，去充分利用現有的頻譜資源，將沒有被使用的分散頻寬重新利用。但是可以很明顯地發覺，若要使用非連續性載波聚合，必須要在 LTE 的用戶裝置上設置多個的射頻接收器以及快速傅立葉轉換模組才能有效的運作。非連續性載波聚合可以支援大範圍頻寬內分散的分量載波，但每個頻段所擁有的通道特性和傳輸表現不同，像是傳播路徑損耗(Propagation path loss)以及都普勒位移(Doppler shift)等，而這些因素都將是未來在發展演算法中需要特別考量的重點。. LTE-Advanced 系統中載波聚合的實現將使用兩種資料聚合方案(Data Aggregation Schemes)，可分為 MAC 層與實體層聚合兩種。在 MAC 層中， 30.

(42) 每個分量載波都有一個傳輸塊(Transmission Blocks, TBs)，和獨立 HARQ 實體，各個載波使用各自獨立的設置參數，能夠依據自身的狀況使用不同的編碼方案。而實體層則是所有分量載波共享一個 HARQ 實體，所使用的調變編碼方式都是相同的，如圖所示。. MAC HARQ. Data Aggregation. Data Aggregation. MAC HARQ. MAC HARQ. MAC HARQ. Physical layer. Physical layer. Physical layer. Physical layer. Physical layer. Physical layer. Component carrier 1. Component carrier 2. Component carrier 3. Component carrier 1. Component carrier 2. Component carrier 3. 圖 2-15、在 LTE-Advanced 系統中載波聚合支架構圖[1]. 分量載波在分配上會分成兩種，主要分量載波(Primary Component Carrier, PCC)與次要分量載波(Secondary Component Carrier, SCC)。主要分量載波用於乘載控制訊號，而次要分量載波則乘載用戶資料，如圖所示. 31.

(43) Inter-band, non-contiguous. f Band 1. Band 2. Primary Serving Cell (PSC), Primary Component Carrier (PCC), RRC connection and data Secondary Serving Cell (SSC), Secondary Component Carrier (SCC), user data Secondary Serving Cell (SSC), Secondary Component Carrier (SCC), user data. 圖 2-16、服務細胞與載波示意圖[20]. 服務細胞(Serving Cell)種類由所分配到的載波種類決定，若是此細胞提供主要分量載波則稱為主要服務細胞(Primary Serving Cell, PSC)，此細胞的任務為提供 RRC(Radio Resource Control)的連結以及資料傳送，而次要服務細胞(Secondary Serving Cell, SSC)則服務次要分量載波，當 RRC 連結建立後便可以提供額外的無線資源傳輸資料。. 32.

(44) 第三章本論文研究所提出之演算法. 3.1 研究做法之動機在 LTE-A 系統中使用載波聚合技術的下行鏈路演算法大多在專注在大型蜂巢式基地台的環境下，而近年來毫微微型蜂巢式基地台越來越受到重視，不論業界或學界都看好其發展，我們考量到其未來發展性以及載波聚合技術能夠搭配毫微微基地台的大量設置後能有效地解決室內無線通訊品質較差的問題，便以此為動機進行研究。. 3.1.1 研究動機之起源本論文探討的重點在於在 Femtocell 網路中使用載波聚合技術提升整體系統效能，我們預見未來會大量的在建築物內設置 Femtocell，雖能夠增加整體覆蓋率，但隨之而來的便是相鄰基地台間產生的干擾情形。基地台在一般的情形下設置之後便很少更動位置，若用戶正好處於基地台的邊緣或是離相鄰基地台較近的位置，可能因為距離問題或是干擾過重導致接收訊號較弱，嚴重的話可能難以傳輸資料。. 即便在文獻[8-10]中提出了一個基於背景干擾矩陣(Background Interference Matrix, BIM)的分量載波選擇方案，仍會產生一些無法傳送的情形，特別是在用戶的 QoS 需求較高時，用戶必須使用較好的調變方式傳送資料，像是使用 16QAM、64QAM 調變，在原本位置因為訊號較差或是 33.

(45) 干擾較嚴重則無法使用這樣的調變，綜合以上的問題我們提出了一個新穎的演算法─室內位置推薦(Indoor Location Recommendation, ILR)，藉由建構周圍的 SINR 地圖，進而推算出用戶目前位置可使用最佳的調變方式，當用戶需求上升，則可藉由演算法所提出的位置推薦，移動到較佳的位置獲得較好的 SINR 進而使用更快速的調變方式。. 3.1.2 Femtocell 的干擾模組與網路模組考量到在室內環境的 Femtocell 網路的干擾情形，如果兩個以上相鄰的 HeNB 同時分配相同的頻率的通道給使用者，則會造成同層間的干擾 (co-tier interference)發生，假設這裡的用戶 Uh 接收到來自 n 個 HeNB 的無線功率，即是{H1, H2, ..Hn}以及所服務的第 i 個 HeNB 的無線功率 Hi。此時的 SINR 可以被表示為：. ∑. (. ) (2). ∑. (. ). RSS 為接收的訊號強度(Received Signal Strength)，而這裡的為用戶 Uh 從服務的 HeNB Hi 所接收到訊號強度； ∑. (. )則為來自附近 HeNB 的所有干擾；B 為頻寬而 N0 為終. 端雜訊頻譜密度。. 34.

(46) 而在函式(2)的. 可以被表示成： (3). 這裡的. 、. 和. 分別為 Hi 的傳輸功率、Hi 的雜訊. 指標以及從 Hi 到 Uh 的路徑損耗，此單位為 dB。. 在室內環境中非直視(Non-Line-Of-Sight, NLOS)路徑損耗. 是. 非常難以去計算的，因為室內會有許多的區間以及物品會增加近算的複雜度。而根據室內的雙條紋模組(dual-stripe model)[21]，從 HeNB Hi 到 UE Uh 的路徑損耗我們標示為. ，而這裡的 UE 與 HeNB 同在一個房間中，. 可由下列式子表示其路徑損耗：. (. ) (4). 為 HeNB Hi 與 UE Uh 之間的距離，其單位為公尺；d2D,indoor 為室內的空間的距離大小，單位為公尺；n 為所經過的樓層數；β 為最小的損耗值，其損耗包含了最小路徑損耗以及天線增益，而介於用戶裝置與 HeNB 間的 β 值為 40dB[22]。. 我們建構了在 Femtocell 網路下行鏈路的服務跟干擾的環境，可以表示成圖形𝑮. 𝑽 𝑬 ，這裡的 V 為頂點的集合，E 為邊緣的集合。. 35.

(47) The global interference graph H2 H7. H1 H3. H4. H6 H5 The interference edge (IE). H2. The service edge (SE). U1 U2. H1. HeNB. H3. User The local interference and service graph. H4. U3. H7 H1 U4. H6 H5. U5 U6. 圖 3- 1、同層網路干擾情境下的網路模型範例. 圖 3-1 中有兩種頂點，分別為 HeNB 與 UE 的頂點，HeNB 頂點連結兩種邊緣結構，一為干擾邊緣(Interference Edges, IE)，二為服務邊緣(Service Edges, SE)，這兩種分別代表著與干擾的相鄰 Femtocell 們的連結與服務的用戶。對 HeNB Hi,，令 Ii 為干擾的相鄰 Femtocell，而|𝑰𝒊 |為干擾的 Femtocell 數量；Si 為服務的用戶，|𝑺𝒊 |為服務的用戶數量。再令 𝐸𝐻𝑖 𝐻𝑗. ∈ 𝑰𝒊，表示. 從 Hi 到 Hj 直接的權重邊緣，也可以表示為從 Hi 到所有服務用戶的 Hj 的所有干擾，可表示成下列式子：. 𝐸𝐻𝑖 𝐻𝑗. ∑. ∈ 𝑰𝒊. ∈𝑺. 這裡的. 令 𝐸𝐻𝑖. (5). 為由 HeNB Hi 到被 HeNB Hj.服務的用戶 Uk。. ℎ. ∈ 𝑺𝒊 表示介於 HeNB Hi 與用戶 Uh 權重邊界。在本論文中 36.

(48) 我們採用 QCIs (QoS class identifiers) table，這個表格被定義在 3GPP[6]量化了服務等級 𝐸𝐻𝑖. ∈ 𝑺𝒊 。. ℎ. 由表 3-1 所示，每一個 QCI 都有著特定的資源種類、優先權以及封包延遲容忍範圍，根據表 1 的 QCI 優先權我們設置 QCI x 的權重𝑊QCI 𝑥 ， 𝑝QCI 𝑥 則為 QCI x 的優先權，𝑊QCI 𝑥 可區分 9 種𝑝QCI 𝑥 ，分別為𝑊QCI. ,. 𝑊QCI. , 𝑊QCI 3. , 𝑊QCI. ,. 𝑊QCI 8. , 𝑊QCI 9. ，假設 𝐸𝐻𝑖. ℎ. 5, 𝑊QCI 5. 9, 𝑊QCI. 的服務種類為 QCI x，則 𝐸𝐻𝑖. 𝑊QCI 𝑥. ∈ 𝑺𝒊 .. , 𝑊QCI 7 ℎ. 可表示成：. (6). 表 3-1、QCI characteristics[23] QCI. Resource Type. 1. Priority. Packet Delay Example Services Budget. 2. 100 ms. Conversational Voice. 4. 150 ms. Conversational Video (Live Streaming). 3. 3. 50 ms. Real Time Gaming. 4. 5. 300 ms. Non-Conversational Video (Buffered Streaming). 5. 1. 100 ms. IMS Signalling. 6. 300 ms. Video (Buffered Streaming), TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.). 7. 100 ms. Voice,Video (Live Interactive Gaming. 2. GBR. 6. 7. Non-GBR. 8. 8. 9. 9. Streaming),. Video (Buffered Streaming), TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file, sharing, progressive video,. 300 ms. etc.) 37.

(49) 3.2 室內位置推薦演算法之設計本論文提出了一個基於載波聚合技術的室內位置推薦的演算法使用在 LTE-A 的下行鏈路 Femtocell 中。過往的研究中，大多考量 Marcocell 的環境，而較少人探討在 Femtocell 網路下的載波聚合情形以及分量載波選擇方式。我們認為在大量設置 Femtocell 在建築物內會是未來的趨勢，而大量設置的結果會使得整體覆蓋率上升，但衍伸而來的卻是相鄰基地台間的干擾會上升，我們期盼藉由位置推薦演算法能夠使用戶遠離干擾源進而提升其使用的載波數量與調變方式。. 以下會分成兩部分說明，第一部分為問題敘述與假設，我們提出一些情境下所產生的問題，進而探討其問題點與解決方式。第二部分為所提出之演算法設計，詳細介紹演算法之精神以及其實作方式。. 3.2.1 問題敘述與假設假設每一個 HeNB 所服務的用戶總是能夠擁有一個 PCC 進行資料傳輸，那在這個 Femtocell 的環境中我們就能夠假設用戶在使用資料傳輸時，若因自身需求而向 HeNB 要求增加使用的載波數量，所服務此用戶的 HeNB 便會試著給予一個或以上的 SCC 給使用者使用，進而增加傳輸的容量。然而若相鄰基地台過於靠近彼此，且同時之間分配到相同頻段的載波則會造成同層間干擾(Co-tier interference)，這樣的情形會使得整體的傳輸表現下降。圖 3-2 展示了一個 PCC 以及 SCC 選擇的例子。. 38.

(50) HeNB 1. HeNB 2. P. S. CC 1 CC 2. HeNB 3. P. CC 3. S. S. P. CC 4. S. CC 5. S. 圖 3- 2、Femtocell 下的 PCC 與 SCC 選擇之示意圖. 考量在 LTE-A Femtocell 網路的下行鏈路傳輸環境，可由圖 3-3(a)所示。在這個環境下有兩個 Femtocell 網路，用戶 Uh 被 HeNB Hi 所服務，同時用戶 Uk 則是被 HeNB Hj 所服務。 Interference Signal. B. HeNB A. UE B. HeNB B. UE A. location recommendation. B. HeNB A. UE B. HeNB B UE A. 圖 3-3、LTE-A Femtocell 網路之下行鏈路載波聚合的情境 39.

(51) (a)用戶 Uh 在位置 l 遇到 SINR 不足以使用 SCC 之情形 (b)用戶 Uh 移動到位置 ̂ 以及獲得足夠的 SINR 使用 SCC 之情形. 假設用戶 Uh 向 HeNB Hi 要求使用額外的分量載波，也就是 SCC，這樣的要求是為了滿足其 QoS 的需求。基本上只要滿足其兩個式子，Hi 會允許分配 SCC 給用戶 Uh，式子如下：. (7) (. ). 𝑥. 在方程式(7)中的方程式(8)中的. 𝑥. (8). 表示能分配 SCC 的最小 SINR 等級；表示使用 PCC 或 SCC 的最小 SINR 等級，. 而此參數會根據在干擾源 HeNB Hj 中目前所使用的分量載波決定。換句話說，方程式(7)指對於被選擇到的 SCC，用戶 Uh 所感測到的 SINR 必須要能夠達到一定的頻譜效率才能夠使用，而方程式(8)則告訴我們在 HeNB Hi 中所分配的 SCC 不能嚴重干擾到周圍的 HeNB Hj 中的用戶 Uk。SCC 的分配問題基於以上兩個式子(7)、(8)在文獻[9]中所提出的 BIMs(Background interference matrics)有效地被解決。. 現在我們考慮到另外一個 SCC 分配上的問題，假設在上述所提的方程式(8)已經被滿足了，而(7)的條件卻沒有達到的情形下，可以由圖 3-3 (a) 所示，而這樣的 SCC 最終也無法被分配給 Uk 和滿足 QoS 的需求。因此我們考慮了另一種可能的情形如圖 3-3 (b)，用戶 Uh 知道了新的位置 ̂ 能夠提供足夠的 SINR 去使用 SCC，從用戶目前的位置 l 移動到新的位置 ̂ 能夠滿足方程式(7)的情形。而這樣的情況不只可以使 SCC 可以被選擇，也 40.

(52) 能增強 PCC 的連結品質，同時增加了整體的傳輸容量。因此可以用戶可藉移動位置使用載波聚合而獲得一個可行的增益。. 為了解決分量載波選擇的問題，我們將會根據下列的假設進行： 1. 每個 HeNB 會藉由與周圍的 HeNB 們交換訊息，察覺目前周圍 Femtocell 分配分量載波之情形(參考圖 3-2)。 2. 每個主動與 HeNB 連結的用戶可以週期性的告知其服務的 HeNB 目前在此範圍內的 RSS 測量結果，此範圍包含了目前的 HeNB 與周圍的 HeNB。 3. HeNB 可以預估用戶目前的位置，藉由其回報的 RSS 測量結果。 4. 用戶可以不被限制的移動。它可以接受服務的 HeNB 所推薦的位置進而可以分配 SCC 給用戶使用。 5. 一般而言，HeNB 會被固定於室內的某處進行使用。HeNB 也可以被移動，也可以依據目前狀況將其開關。. 3.2.2 室內位置推薦演算法之分量載波選擇我們提出了一個在用於分量載波選擇的室內位置推薦方案(Indoor Location Recommendation, ILR)，使用於 LTE-A Femtocell 網路下行鏈路中。我們 ILR 的基本目標是要在用戶在目前位置下沒有足夠的 SINR 能夠使用 SCC，藉由我們的方法提出一個建議位置以及移動路徑，用戶能夠移動到建議的位置獲得較好的 SINR 使用 SCC。在這裡我們可以將問題公式化表示̂. 𝑓. 𝜃 𝜙 ， ̂為推薦位置，為用戶目前的位置，𝜃表示用戶服務需求. 以及𝜙表示 QoS 地圖，而這個部分會在之後會有詳細解說。. 41.

(53) 我們提出的 ILR 方案可以分成兩個階段，分別為離線階段(offline)與上線階段(online)。在離線階段，ILR 採用 LTE-A Femtocell 網路的先備知識去建構出 QoS 地圖。在上線階段，ILR 會建議用戶往哪裡移動，並且會根據其不同的分量載波分配的需求決定往哪個方向移動，同時會最小化移動的距離提出離用戶目前位置最近的推薦位置，詳細的 ILR 方案會在後面說明。. 3.2.2.1 離線階段在離線階段，ILR 會建構 QoS 地圖( , 𝜙 )，這裡的為位置而 i 為索引值，𝜙 為位置的 QoS 指標。由圖所示 QoS 指標𝜙 可以被劃分為很多種類，會根據特定的 SINR 門檻值做區分，也會有相對應的調變與編碼方式 (Modulation and Coding Schemes, MCSs)。實際上有著高 SINR 的傳輸情形下可以採用高階的 MCS 達到高 QoS 的需求。因此 QoS 指標𝜙 可以反映應用層的 QoS 需求，像是所需要的資料吞吐量或者是封包時間延遲等。. QoS indicator Φi. QoS class 4. QoS class 3. QoS class 2. QoS class 1. Modulation. BPSK. QPSK. 16-QAM. 64-QAM. SINR Level. SINR < SINRth1. SINRth2 ≦ SINR < SINRth3. SINR≥ SINRth3. SINR Threshold. SINRth1 ≦ SINR < SINRth2. SINRth1. SINRth2. SINRth3. 圖 3-4、QoS 地圖與所對應的 SINR 及調變方式. 考慮整個空間狀況，會將空間區分成 m 個區塊，而所述的目標區域的 QoS 地圖可以被定義為. , 𝜙 ), ( , 𝜙 ),………(. 指標𝜙 會依據所在位置的 SINR 所獲得，其下列式子： 42. 𝑚,. 𝜙𝑚 )}。而在本論文中，QoS (. )可被表示成.

(54) 𝜙 {. (. ). (. ). 3. (. 這裡的知，我們的. (9). ). 為介於相鄰 MCSs 間的第 i 個 SINR 門檻值，可由表得. 、. 和. 3. 分別等同於 -6.7、5.9, 和 11.7 dB。. 表 3-1、在 LTE-A 中的 MCS、SINR 與頻譜效率關係 Index Modulation 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15. QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM. Code rate 0.076 0.12 0.19 0.30 0.44 0.59 0.37 0.48 0.60 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.93. SINR range (dB) -6.7 < SINR < -4.7 -4.7 < SINR < -2.3 -2.3 < SINR < 0.2 0.2 < SINR < 2.4 2.4 < SINR < 4.3 4.3 < SINR < 5.9 5.9 < SINR < 8.1 8.1 < SINR < 10.3 10.3 < SINR < 11.7 11.7 < SINR < 14.1 14.1 < SINR < 16.3 16.3 < SINR < 18.7 18.7 < SINR < 21.0 21.0 < SINR < 22.7 SINR > 22.7. Spectral efficiency (bps / Hz) 0.152 0.234 0.377 0.601 0.870 1.175 1.476 1.914 2.406 2.730 3.322 3.902 4.523 5.115 5.554. 基本上，QoS 地圖可以透過現場勘查有經驗地建構出來，我們可以建構一個實驗的平台，去量測在周期內平均時間的 SINR 𝑠 在位置中的情形， 43.

(55) 紀錄統計出來的數值( , 𝑠 )。因此，所對應的 QoS 種類𝜙 可以從𝑠 對應表格 X 與圖 X 中獲得，將所有的獲得的數值逐點式的建構便能建構出 QoS 地圖{( , 𝜙 ), ( , 𝜙 ),………(. 𝑚,. 𝜙𝑚 )}。也因為𝑠 會被周圍的 femtocell 干擾而. 有所影響，這也就是為什麼預估的𝜙 被稱為干擾察覺(interference-aware) 的 QoS 地圖。. 3.2.2.2 上線階段當 QoS 地圖{( , 𝜙 ), ( , 𝜙 ),………(. 𝑚,. 𝜙𝑚 )}在離線階段被建立後，我. 們所提出的系統便能夠上線建議用戶往最小移動距離的地方移動，會基於它們所需要服務的種類，可以從 QCIs 𝜃 中得知其服務需求。用戶將會週期性的告知(𝑠 , 𝜃 )給所服務的 HeNB，而會參考當前 SINR (𝑠 )與它的傳輸的 QCI 種類(𝜃 )。服務的 HeNB 將會利用這個 SINR 資訊𝑠 測量當用戶在位置時所對應的 QoS 類別𝜙 。在此同時，服務的 HeNB 將會對應 QCI 𝜃 得到 QoS 類別𝜙 ∗。假如在目前用戶位置所預估的 QoS 類別 𝜙 較低於所渴望的 QoS 類別𝜙 ∗ 和在 PCC 中可用的資源並不足以支持𝜙 ∗ ，服務的 HeNB 將會選擇 SCC 去增加傳輸的容量，此時必須要滿足下列兩個情況：. 𝜙∗ (. ). (10) (11). 𝑥. 方程式(11)與方程式(8)相同，因為在分配 SCC 給用戶時不能夠對周圍 HeNB 的用戶有太過嚴重的干擾。然而在方程式(10)就與方程式(7)有所不同，這裡表示了分配的 SCC 應該要根據所需求的 QoS 類別𝜙 ∗ 決定，所以方程式中應該以 QoS 類別𝜙 ∗ 取代固定的數值. 44. 。.

(56) 因此，如果當前位置的 SINR 不能夠滿足方程式(10)，服務的 HeNB 將會搜尋 QoS 地圖以及建議一個可行的位置 𝑥 給用戶，而這個可行的位置可提供所渴望的 SINR 𝑠𝑥 (也就是 𝑠𝑥. ) 以便進行 SCC 的分配。. 因此，用戶位置的移動不只能夠滿足 SCC 的分配，也能促進 PCC 的通道狀況滿足用戶的 QoS 需求。下圖則為用戶在 HeNB 和干擾源之間的 SINR 示意圖。 SINR Map 20 -8. 18 -6. 10. -2. 16 18 2020. 5. 18. -6. 10. -10 -4. 8 -8. 10. 12. 12. 10. 16 14. 6. -5. 8. 12. 0. -2. 10. 2. 4. -10. -4. 2. 8 6. 0. 0. 4. -6. 15. 8 14. -8. 2. -16 -14. 0. 12. 4. -10 -12. 6. 6. Y Coordinate (m). 14. 6. Serving HeNB Interferencing HeNB 8 UE. -4. 16. 4 -1. -16. 4. 2. -12. -2. -10. 0. 20. 0. 2. 4. 6. 8 10 12 X Coordinate (m). 14. 16. -15 18. 20. 圖 3-5、用戶介於服務的 HeNB 與干擾源 HeNB 間的 SINR Map. 最佳的推薦位置應該為路徑最短且滿足使用 SCC 的 SINR 門檻值，我們將計算其斜率𝛿 ，如方程式(12)所示：. 𝛿. (12). 45.

(57) 為位置的 SINR 值，. 為位置的 SINR 值，. 則為位置到. 位置的距離。接著我們會找出周圍斜率的最大值，如方程式(13)所示：. ̂. 𝛿 (13). ∈ ∗. ∈. 為所有位置之集合，也就是說我們的推薦位置 ̂會藉由找出周圍最大斜率的點，並且滿足此位置的 SINR 大於所需的 SINR 值。 Gradient Map. 8. -1.8 .6 -1 -11.4.2 -1 8 0.6 . 0 .4 -0. -1. 6. 0.2. -0.6. 1.5 1.2. 1.2. 1.4 1.6 1.8. 0. 0. 2. 0.5. 2.4 2.6 .8 2. 2.2. 0 4 2.. 1.6 1.4. 6. -0.5 -1. 1.2 1. -1.5. 0.8. -2 0.4. 4. 1. 2. 2.2. 2 1 1.6 .8 1.4 1.2 1 0.8 0.6. -0.4. 2. 2. 1. -0 .2. 0. 4. 2.5. 0.8. -0.2. -2. 0.4. Y Coordinate (m). 12. -1 -2.2 .8 1 10 -1.4 .6 -1.2. 0.2 Serving HeNB 0.4 Interferencing HeNB UE 0.6. 4 0.. -0.6 -0.8. -1 .2 -1 .4 -1. -2. -2.4. -2 -2.4-2.2 -2 .6. -1 -1. .6 8. -0.4 0 0.6 0. 2 0.8 1. 16 14. -0.2. -1.2 -1.4. 18. 0. -0.8. -1. 1. 2 8. 20. 8 10 12 X Coordinate (m). 0.6. -2.5 14. 16. 18. 20. 圖 3-6、用戶介於服務的 HeNB 與干擾源 HeNB 間的斜率圖. 可以圖 3-6 為圖 3-5 經過方程式(12)換算後所得到的結果，圖中有三種顏色的箭頭，分別為紅色、藍色與黑色箭頭。紅色箭頭所指的部分，為斜率上升較快的方向，可以到從 0 的地方一路爬升到了 2 點多，而兩邊的黑 46.

(58) 色箭頭則指向趨於平緩的區域，最後藍色的箭頭雖然也指向斜率變化較大的區域，但與紅色箭頭相反，其斜率是快速的下降。. 圖 3-7 呈現了我們提出的 ILR 演算法的流程圖。基本上，推薦的位置將會因不同的服務需求而改變，當有多個位置都能滿足需求時，系統會選擇最大的斜率的位置。而圖 3-8 為我們 ILR 演算法的虛擬碼。. Indoor location recommendation (ILR) Online stage Look for the QoS map. Users request for SCC allocation. Offline stage Estimate the current location of UE. Calculate the point with a minimum distance. Collect the SINR measured by UE. Map SINRs to QoS classes. QoS map. Recommend location. Signal. Signal. Recommended location. Current location l. HeNB. HeNB Interference Interference. HeNB. HeNB. 圖 3-7、所提出的 ILR 演算法流程圖. 47.

(59) Algorithm: Indoor location recommendation algorithm (ILR) Offline stage: 1: Construct and initialize the QoS Map: {( , 𝜙 ), ( , 𝜙 ),… ( 𝑚 , 𝜙𝑚 )} Online stage: 2: UE periodically informs the serving HeNB of (𝑠 , 𝜃 ) 𝑠 : SINR, 𝜃 : service requirement in terms of QCIs 3: The serving HeNB converts (𝑠 , 𝜃 ) to (𝜙 , 𝜙 ∗ ) 𝜙 : QoS indicator of the current location, 𝜙 ∗ : desired QoS class 4: If 𝜙 < 𝜙 ∗ 5: For k = 1 : m 6: Export ( , 𝜙 ) 7: Set Λ as the set of ( ∗ , 𝜙 ∗ ) in which 𝜙 ∗ 𝜙∗ // 𝜙 ∗ is adequate to the desired QoS level 8: end For 9: If Λ ≠ 10: Calculate the gradient from the current location to each location ∗ in Λ, 𝒊 11: Feedback the location ̂ with a maximum gradient 12: end If 13: else // the search result is null 14: Return // keep staying in the current location 15: Return ̂ // go to the new location ̂ 16: end If 17: end 圖 3-8、所提出的 ILR 演算法虛擬碼. 3.2.2.3 ILR 演算法的執行 QoS 地圖可能因為周圍 HeNB 的移動或式開關而有所改變。然而，QoS 地圖可以隨時藉由用戶與服務的 HeNB 交換訊息而進行更新。在室內位置的技術下，HeNB 可以測量目前用戶的位置以及週期性地更新( , 𝜙 )以維護 QoS 地圖。. 48.