行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
無線 ATM 網路 MC-CDMA 軟式移交管理之研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2213-E-011-047-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系
計畫主持人： 黎碧煌
計畫參與人員： 黎碧煌、陳信北、蔡孟哲、賴建志
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 9 月 17 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
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※ 無線 ATM 網路 MC-CDMA 軟式移交管理之研究 ※
※ Study on Soft Handoff Management Using MC-CDMA ※
※ in Wireless ATM Networks ※
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計畫類別：個別型計畫
計畫編號：NSC-921-2213-E-011-047
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日 執行單位：台灣科技大學電機系
計畫主持人：黎碧煌
報告類型：精簡報告
處理方式：本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 7 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 無線 ATM 網路 MC-CDMA 軟式移交管理之研究
Study on Soft Handoff Management Using MC-CDMA in Wireless ATM Networks 計畫編號：NSC 92-2213-E-011-047
執行期限：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日 主持人：黎碧煌 國立台灣科技大學電機系
計畫參與人員：陳信北、蔡孟哲、賴建志 國立台灣科技大學電機系
一、中文摘耍
無線通訊和 ATM 技術是近年來蓬勃發展的 技術。無線網路的管理目標為達成系統高利用 率、低細胞遺失率、及滿足使用者需求服務品 質(quality of service)。多重載送之分碼多重存取 (multi-carrier CDMA; MC-CDMA)技術可在同一 時間內使用多個展頻碼(PN-codes)傳送資料，使 網路能同時支援不同交通流量。本計畫針對無 線 ATM 網路在 MC-CDMA 環境下之軟式移交 (soft handoff)管理進行研究。我們提出一個軟式 越區移交的完整性流量轉載演算法(complete traffic shedding algorithm: CTSA)，藉由調整移交 門檻參數來減少基地台的移交區域範圍，以有 效地降低基地台服務範圍內的負載。因為 ATM 屬於連接導向的服務方式，當移交發生時，在 建立新的連線前必須先尋找出新的路徑。本文 也提出一個適用於無線 ATM 網路的加強式混合 再繞徑機制(enhanced hybrid rerouting scheme;
EHRS)。根據模擬的結果，我們提出的方法可以 有 效 降 低 移 交 斷 訊 率 (handoff call dropping ratio)、新連線阻塞率(new call blocking ratio)、
系統連線拒絕率(system call refusing ratio)、移交 延遲(handoff delay)。
關鍵字：無線 ATM 網路、多重載送之分碼多重 存取、移交管理、流量轉載、混合再繞徑
Abstract
Wireless communications and ATM technique are rapidly developing recently. The goal of managing wireless networks is to achieve high utilization and low cell loss rate and further satisfy the required quality of service(QoS). Multi-carrier CDMA technique can simultaneously transmit different traffics by using several pseudo noise codes(PN codes). This project studies soft handoff management under MC-CDMA environment in wireless ATM networks. We propose a complete traffic shedding algorithm(CTSA) for soft handoff to efficiently alleviate traffic in a base station by adjusting handoff parameters. The proposed algorithm is virtually expected to reduce the service coverage of the heavy loaded base station.
Because ATM is connection-oriented service, it
has to find a new route before establishing a new connection when handoff occurs. We also propose an enhanced hybrid rerouting scheme(EHRS) for wireless ATM networks. According to simulation results, our schemes show better performance especially for handoff call dropping ratio, new call blocking ratio, system call refusing ratio, and handoff delay.
Key Words: Wireless ATM networks, MC-CDMA,
handoff management, traffic shedding, hybrid rerouting
二、緣由與目的
無線通訊提供行動台(mobile terminal; MT) 可移動的特性，再加上蜂巢式管理架構，但是 每個行動台都可能因為移動而跨越原本基地台 (base station; BS)的通訊範圍而進入另一個基地 台的轄區，因此移交(handoff)[1]–[3]機制是無線 通訊領域中相當重要的議題。缺乏良好的移交 機制，將導致行動台因為移出基地台範圍進入 另一基地台的同時，卻無法立即得到新的基地 台的服務而導致斷訊。因此，為了有效使用有 限的頻寬，各式各樣的移交方式在先前的研究 中相繼被提出。
傳統的CDMA移交程序利用固定的門檻參 數來比較量測引導訊號(pilot signal) [4][5]，然而 這些門檻參數是事先定義且固定的值，在某些 情況下並無法根據負載環境做適當的動態調 整。當某一蜂巢式細胞突然地湧入人潮，使得 使用者遽增，相較於其他週遭的蜂巢式細胞，
形成了不平衡流量(unbalanced traffic)，我們稱此 為熱點細胞(hot-spot cell)。此現象造成基地台的 過度負擔，可能會使行動台無法建立連線或連 線中斷。為了解決以上的問題，有很多相關研 究 提 出 ， 例 如 ： 動 態 調 整 扇 型 區 間(dynamic sectorization) [6][7]、利用微細胞(micro-cell)與微 微細胞(pico-cell)的架構組合概念來做頻道分配 [8]-[10]、利用調整基地台的引導訊號功率來調 整服務範圍[11]-[13]、及動態調整移交門檻值參 數[14]-[16]等諸多議題。因為ATM是屬於連接導 向的服務方式，所以當移交發生時，在建立新 的連線前必須要先尋找出新的路徑，而此過程
1
就稱為再繞徑(rerouting)。目前有些再繞徑方法 被 提 出 ， 例 如 連 線 重 建 (connection reestablishment) [17]、路徑延伸(path extension) [18]、支柱式再繞徑(anchor rerouting) [19]、動態 再繞徑(dynamic rerouting) [20]-[22]、多播式再 繞 徑 (multicast rerouting) [23] 、 混 合 再 繞 徑 (hybrid rerouting) [24]等。
我們探討當基地台的交通流量發生不平衡 時，在不改變基地台的引導訊號功率前提下，
讓基地台獨立自主控制，透過交通流量的變化 有效地動態調整移交機制中的門檻值，將熱點 細胞邊緣的行動台提早移交到其鄰近的輕載基 地台，以及讓鄰近基地台的行動台延後進入熱 點細胞，這裡不須藉由調整鄰近基地台引導訊 號功率，就可以獨立完成平衡流量的效果。我 們依據基地台內的頻寬使用率，提出一動態調 整移交門檻值的移交演算法，期望使熱點細胞 的行動台能夠快速的移交到其鄰近流量較輕載 的基地台，解決不平衡流量時所造成的高移交 斷訊率與連線拒絕率的問題。
設計一個無線ATM的再繞徑方法有很多的 效益因素必須考量，如信號傳送協定的複雜 度、最佳路徑、移交延遲、網路資源效能。信 號傳送的複雜度主要是與再繞徑方法的實用性 有關，降低移交時所要交換的訊息數量，可以 降低有線及無線網路的負載。最佳路徑會影響 服務中斷時間的長短，路徑越理想，服務中斷 的時間就越短。我們針對無線ATM環境，結合 多播式再繞徑、支柱式再繞徑、路徑延伸及動 態再繞徑這四種方法的概念，提出一種加強式 混合型的再繞徑演算法EHRS，有效滿足上述的 效益需求。
三、軟式移交演算法
本節將詳細說明我們所提出的動態調整移 交 參 數 的 完 整 性 流 量 轉 載 演 算 法 (complete traffic shedding algorithm: CTSA)與加強式混合 再繞徑機制(enhanced hybrid rerouting scheme;
EHRS)。首先，我們將此蜂巢式架構的基地台群 組化，每一個群集(cluster)都由一個 ATM 交換 設備負責管轄。由於我們將蜂巢式細胞群組 化，使得當移交發生時會出現兩種情況：群集 內 移 交 (intracluster handoff) 及 群 集 間 移 交 (intercluster handoff)。我們所提出的方法會根據 不同的移交方式，而採取不同的再繞徑機制，
當群集內移交發生時，再繞徑的機制不需要去 處理交換設備間的程序，所以移交的程序較為 簡單。如果是群集間移交，則再繞徑機制就必 須處理交換設備間的程序，所以移交的程序就 較為複雜。通常，發生群集內移交的機率要比
發生群集間移交的機率高。根據[25]，將一個群 集的大小設為三個以上的環(ring)時，發生群集 內移交的機率會比群集間移交高。但是如果將 一個群集設得太大，每個 ATM 交換設備的負荷 又會太重，因此，我們將一個群集的大小設為 三個環，也就是一個群集中包含 19 個細胞，如 圖一所示。
3.1 CTSA 演算法
配合基地台內的流量負載變化，我們分析 歸納求得第j次發生轉載的調整量SR
j，如式(1) 所示，依據式(1)適當地動態調整移交參數，以 達成流量轉載的目的。圖 2 為CTSA演算法之處 理流程示意圖。假設基地台的服務範圍的外接 圓半徑為 R0，其內接圓半徑為 Rh。
。
( )
0 2 1 2
1
1 R
SR
j
j ×
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
−⎛
⎟ ×
⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛
−
α β α
β (1)
其中：
α：為訊務轉載的門檻值，當 ρ > α 時，訊務
轉載機制開始執行。
γ：為回復機制的門檻值，當 ρ < γ 時，回復
機制開始執行。
β：為調整後上限值，當轉載機制發生後，訊
務負載值
ρ 由 α 調整至 β。其中 β 介於 α與
γ 之間。為了做後續的分析，定義幾個參數如下：
ρ：是基地台的訊務負載，其定義如下所示：
) BW
BW
Total Usage
基地台總頻寬(
) (
基地台使用頻寬
ρ
=η：為旗標(flag)，當轉載機制被執行時設為 1。
rj
：執行第j次轉載後，基地台的服務半徑。
Tdur
：為基地台在固定週期內檢查系統負載是 否低於門檻值γ的時間值。
接著將探討流量轉載機制、回復機制的原理，
以及延後行動台進入熱點細胞的機制。
1. 流量轉載機制：
步驟一：基地台判斷系統內的流量負載是否 超過 α 門檻值；若是，則啟動轉載 機制。
步驟二：基地台根據轉載調整量，計算出移 交區域縮小後的基地台服務半徑。
步驟三：若縮小後的基地台服務半徑小於內 接圓半徑R
h，則將服務半徑設為R
h。 步驟四：執行一次流量轉載機制後，將
η 值設為 1。
步驟五：將調整後的服務半徑，其相對的移 交門檻參數廣播給行動台更新。
其虛擬碼如下：
If ρ > α rj = rj-1 – SR j if ( rj < Rh )
rj = Rh End if Set η = 1 End if
2. 回復機制：
步驟一：基地台週期性以一個T
dur的時間，判 斷系統內的流量負載是否低於γ門 檻值，並檢查基地台的服務範圍，
若曾因轉載機制而縮小，則啟動回 復機制。
步驟二：基地台根據轉載調整量，將其服務 範 圍 回 復 至 上 一 次 轉 載 的 服 務 範 圍。
步驟三：若調整後，服務半徑達到基地台的 外接圓半徑R
0，則將η值設為 0。
步驟四：將調整後的服務半徑，其相對的移 交門檻參數廣播給行動台更新。
其虛擬碼如下：
If ( ρ < γ and η = 1 ) rj = rj-1 - SR j
If rj > R0 rj = R0 Set η = 0 End If End If
3. 延後行動台進入熱點細胞的機制：
行動台若偵測到鄰近新的基地台引導訊號 強度大於門檻值時，會送出引導訊號強度量測 的 訊 息 (pilot strength measurement message;
PSMM) 通知新基地台，此訊息包含一移交中斷 計時器的資訊[5]，這個資訊表示行動台與原本 連線的舊基地台還剩多少時間會斷訊，因此新 基地台可以透過此資訊來控制何時加入此行動 台，以防止此連線中的行動台遭受斷訊。
3.2 EHRS 演算法
我們所提出的加強式混合型再繞徑方法是 結合多播式再繞徑、支柱式再繞徑、路徑延伸 及動態再繞徑這四種方法的概念。其演算法流 程圖如圖 3 所示，以下將詳細說明各步驟：
步驟一：運用多播式再繞徑與支柱式再繞徑 方法預先建立路徑：當新的基地台 收到行動台所傳送的 PSMM 訊號 時，行動台根據移動方向在發生移
交前，預先與一個或是兩個鄰近最 有可能越區移交的細胞建立路徑。
若預建路徑的細胞跟行動台所在的 細胞位於同一群集，則由支柱交換 設備直接建立路徑。若是位於不同 群集，則先由支柱交換設備建立路 徑到目標設備，再由目標交換設備 建立路徑到要預建路徑的細胞。
步驟二：行動台移交發生時進入移交程序：
當行動台發生移交時，如果越區移 交的細胞已有預建路徑，則可快速 完成移交程序。若越區移交的細胞 並沒有預建路徑或是此預建路徑失 敗，則使用路徑延伸方法。
步驟三：預建路徑失敗時，採用路徑延伸再 繞徑方法：移交發生時直接將路徑 延伸到行動台所移交過去的細胞，
以節省移交程序所花的時間。
步驟四：動態調整路徑：當完成移交程序，
若是群集間移交或是移交的細胞沒 有預建路徑，可能造成此路徑不是 最 佳 的 。 所 以 必 須 動 態 調 整 此 路 徑，以降低頻寬的需求量。
四、模擬與結果
本節的系統模擬主要針對所提出的軟式移 交動態調整參數演算法的模擬結果分析，並與 傳統移交方式 (conventional soft handoff; CSH) 及動態調整移交門檻參數值之 VTSH (variable threshold soft handoff) [15]及 ESHA (enhanced soft handoff algorithm)[16]做比較。
從圖 4 系統軟式移交連線斷訊率及圖 5 圖 系統新連線阻塞率四種方法的表現中，可以很 清楚的看出我們提出的 CTSA 演算法能夠根據 流量負載的變化，適時地採取轉載機制將移交 連線提早完成移交，並且延後鄰近基地台的行 動台移交進入，因此能有效降低移交連線的數 目，也減少了軟式移交斷訊率。相對的將資源 分配給新連線要求，也降低新連線阻塞率。本 系統有保留部分頻寬給軟式移交連線使用，比 新連線要求有較高優先權，所以新連線阻塞率 相對比軟式移交連線斷訊率來的高。在 CSH 方 法中當流量負載越來愈重時，其移交斷訊率與 新連線阻塞率比起其他三種方法表現來得差，
這是因為 CSH 並無法根據流量負載動態調整移 交門檻參數，所以當資源不足時，要求軟式移 交的連線數增多，勢必造成頻寬重複使用，所 以移交斷訊率與新連線阻塞率明顯升高； VTSH 表現的又比 ESHA 遜色一些，這是因為 VTSH 在流量負載發生 hot-spot 時，只調整一次移交區
3
域範圍，但 ESHA 可以根據負載的變化做多次 的調整，故效能上明顯比 VTSH 來得好。
其次，我們針對在移交發生時再繞徑的方 式比較，我們所提之加強型混合式方法 EHRS 與路徑延伸、支柱式再繞徑、動態再繞徑做比 較。系統軟式移交連線斷訊率及系統新連線阻 塞率如圖 6 及圖 7 所示，路徑延伸的方法移交 斷訊率最差，是因為路徑延伸在建立新路徑 時，使用直接延伸的方式，所以當行動台完成 移交程序後，行動台與舊基地台所要求的頻寬 並不能被釋放出來，必須等到這個行動台結束 連線後，才能將頻寬完全釋放，所以佔用較多 的頻寬。因此基地台中可使用的頻寬相對的就 會比較少，而容易導致基地台頻寬不足而發生 移交斷訊的現象，所以路徑延伸會有較高的移 交斷訊率。至於支柱式再繞徑與動態再繞徑這 兩種方法，其移交斷訊率則是相當接近，這是 因為這兩種方法的移交程序對基地台的頻寬使 用量相當接近。加強式混合型方法在移交斷訊 率的表現上是最好的，由於有預先建立路徑的 機制，預先保留頻寬給行動台使用，而且在移 交程序結束後，還有使用動態調整路徑的機 制，使得建立的路徑是最佳，而降低頻寬的使 用量，使得基地台可供使用的頻寬增多，可以 降低移交斷訊率。
圖 8 是針對移交延遲的比較，其中動態再 繞徑方法的結果是最差，主要的原因是當移交 程序發生時，動態再繞徑在建立新路徑前，必 須先找出交叉點交換設備，然後再由此交換設 備建立新的路徑，由於此尋找過程需要花費時 間，因此動態再繞徑方法的移交延遲時間比其 它三種方法長。加強式混合型再繞徑在移交程 序發生前，先預建路徑，當移交發生時，只須 將頻寬分配給行動台，所以移交延遲的時間會 比其它三種方法短。
圖 9 是基地台的緩衝器的需求量比較，其 中動態再繞徑方法的表現是最差，因為動態再 繞徑方法在移交程序進行中去尋找交叉點交換 設備，使得新基地台需要等待較長的時間才能 將下載資料傳給行動台，所以需要較多的緩衝 器需求量。加強式混合型再繞徑方法比路徑延 伸方法及支柱式再繞徑方法的表現是相近，因 為沒有複雜的移交機制，使得新基地台不需要 等待太長時間即可將資料傳送給行動台，所以 緩衝器的需求量較小。
五、結論
本文主要針對 WATM 行動通訊的軟式移交 管理做探討。我們提出移交門檻參數隨負載做 適當的動態調整的方法，並提出較適合的改良 型混合式再繞徑方法，來提高行動台移交時的
效能。
從模擬結果的數據中可發現，由於 CTSA 方法可藉由負載的狀態，動態調整移交門檻參 數，讓位於移交區域邊緣的行動台使用者提早 移交到鄰近蜂巢式細胞，並延後行動台進入擁 塞蜂巢式細胞，降低資源的浪費，減緩擁塞的 狀態。加強式混合型再繞徑的方法，在移交斷 訊率、新連線阻塞率、系統連線拒絕率的效能 評估都較其他三種方法優，在移交延遲的表現 上也比另外三種方法好，在緩衝器需求量上，
加強式混合型再繞徑方法與路徑延伸與支柱式 再繞徑方法相近。
綜合比較，本文提出的 CTSA 方法與加強 式混合型再繞徑方法將可以有效利用於無線 ATM 的網路上。
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圖 1 群集內移交與群集間移交
轉載機制
行動台連線請求 開始
行動台 將調整後的移交門
檻廣播給行動台 α ρ ≥
回復機制 Time ≧ Tdur &
= 1 &
否
否 是
是
更新移交門 檻參數
進行移交 程序 結束
γ ρ ≤
否
是
h η
j R
r ≤
圖 2 CTSA 流程示意圖。
5
