使用調適性的CoMP於LTE-A Downlink端提升頻譜的使用率 - 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. 學. ‧ 國. 立使用調適性的CoMP於LTE-A Downlink端提升頻譜的使用率. ‧. Hierarchical Adaptive Clustering for CoMP in LTE-A. Nat. n. al. er. io. sit. y. Downlink Transmission to Improve the Spectrum Efficiency. Ch. engchi. i Un. v. 指導教授：張宏慶博士研究生：蔡欣儒撰. 中華民國一百零四年七月 July 2015.

(2) 使用調適性的CoMP於LTE-A Downlink端提升頻譜的使用率 Hierarchical Adaptive Clustering for CoMP in LTE-Advanced Downlink Transmission to Improve the Spectrum Efficiency. 研究生：蔡欣儒. Advisor: Hung-Chin Jang. 國立政治大學. 學. ‧ 國. 指導教授：張宏慶立. Student: Hsin-Ju Tsai 政治大. ‧. 資訊科學系. y. sit. io. er. Nat. 碩士論文. 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. 中華民國一百零四年七月 July 2015.

(3) 致謝. 碩士生涯即將畫下句點，感謝這段日子陪伴在我身邊的所有人，給予幫助與支持讓我得以順利完成此論文。首先，誠摯地感謝指導教授張宏慶博士，在學術及研究上專業的指導，在研究過程中指點我正確的方向，並給予信心、鼓勵突破瓶頸。在老師的指導下學生獲益良多，老師面對學問的嚴謹以及提攜後輩的待人處事之道，是我學習的楷模。. 政治大實驗室的生活，給予研究上的建議；感謝博為、建雄、敬傑、致賢、麒瑋一起在立感謝實驗室中一起努力的夥伴們，感謝偉迪、柏硯、華元學長們帶領我融入. ‧ 國. 學. 實驗室研究、討論，陪伴我度過許多充實、歡樂的日子，給予我豐富的回憶，更謝謝你們的鼓勵與協助，讓我的論文能順利完成。感謝惠敏、健君、布丁、兔兔、. ‧. 小熊的陪伴、鼓勵、協助，也讓我在政大的研究生生活更多采多姿。. sit. y. Nat. 最後，感謝我最重要的家人：爸爸、媽媽和弟弟，無條件給予我良好的讀書. al. er. io. 環境，讓我能專心地念書順利從研究所畢業，無論是精神、經濟上都給予我強大. v. n. 的支持。經歷兩年多碩士生活的磨練，未來相信我能發揮所學，積極面對各種挑戰。. Ch. engchi. i. i Un.

(4) 使用調適性的CoMP於LTE-A Downlink端提升頻譜的使用率. 摘要第四代行動通訊系統 (The Fourth Generation of Mobile Communications System，簡稱 4G)LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)利用載波聚合(Carrier. 政治大. Aggregation)與多天線 MIMO(Multi-Input Multi-Output)通道技術大幅提升上傳與. 立. 下載的傳輸速率，並加入協同多點協調傳輸(Co-ordinated Multi-Point Transmission). ‧ 國. 學. 技術加強基地台服務的覆蓋率。透過 LTE-A 的 CoMP 聯合運作(Joint Processing). ‧. 方式，藉由鄰近基地台之間的互相協助，有助於位於細胞邊緣處之使用者裝置 (User Equipment，UE)訊號傳輸品質提升，將周圍鄰近之基地台訊號的干擾化為. y. Nat. 碼與編碼再送出，提升周遭 UE 接收的訊號強度。. n. al. Ch. er. io. sit. 有益之訊號來源。中繼技術(Relay)則能將來自基地台之無線電訊號接收後經過解. i Un. v. 基於行動網路環境中使用者的移動性，細胞邊緣使用者的人數與位置分布隨. engchi. 時間改變，傳統 CoMP 傳輸多屬靜態的叢集演算法事先定義 CoMP 傳輸叢集，導致傳輸叢集不符合細胞邊緣使用者的分布與需求，細胞邊緣使用者的傳輸增益有限。動態的 CoMP 傳輸雖然較靜態的 CoMP 傳輸符合邊緣使用者的需求與分布，然而，因其屬於分散式的架構缺乏管理控制中心，規劃傳輸叢集的過程需仰賴基地台之間頻繁的控制訊號溝通。本論文提出一個動態的 CoMP 傳輸叢集演算法-階層式動態 CoMP 傳輸叢集演算法(Hierarchical Adaptive Clustering for CoMP ，HACC)，透過階層式架構， ii.

(5) 不但具備靜態 CoMP 傳輸演算法集中式系統的優點，也保有動態 CoMP 傳輸演算法隨使用者分布調整傳輸叢集的特點。首先於系統定義之叢集中選出上層叢集代表(top cluster head，TCH)，由基地台收集服務範圍內 UE 分布與通訊品質，篩選出細胞邊緣使用者並傳遞此資訊給 TCH，由 TCH 選出較多細胞邊緣使用者的區域為 CoMP 傳輸叢集之子代表(sub-cluster head)，以 CoMP 傳輸叢集之子代表為中心點尋找相鄰的區域形成 CoMP 傳輸叢集。除此之外，再搭配 Relay 延伸來自基地台之訊號，強化基地台服務範圍內非邊緣區域之訊號，提供 UE 更佳的傳輸品質。. 政治大. 透過實驗模擬證實，本論文提出的方法在系統整體 UE 的資料吞吐量比傳統. 立. 靜態以及 Hongbin et al.[10]提出之以 UE 需求為主的動態 CoMP 叢集演算法來的. ‧ 國. 學. 優異，特別是對位於細胞邊緣通訊不良處之 UE 資料吞吐量有更顯著之改善，系. ‧. 統整體的頻譜效率也有所提升。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iii. i Un. v.

(6) Hierarchical Adaptive Clustering for CoMP in LTE-A Downlink Transmission to Improve the Spectrum Efficiency. Abstract. 政治大. The fourth-generation mobile communications system (4G) LTE-A (Long Term. 立. Evolution-Advanced) uses carrier aggregation and multi-antenna MIMO channel. ‧ 國. 學. technology dramatically to increase the speed in both uplink and downlink, and use. ‧. coordinated multi-point transmission(CoMP) and relay to improve the coverage of base station. Through joint processing(JP) in CoMP, base station(BS) communicates with. sit. y. Nat. io. er. adjacent BSs and then some of them build up a CoMP cluster helping the user equipment(UE) which is located at the edge of cell by enhancing the signal strength.. n. al. Ch. i Un. v. CoMP-JP is able to transform interference from adjacent cells into useful signals. Relay. engchi. technology receives radio signals and then amplifies signals before re-transmission to strengthen signals. The number of cell-edge users and their locations change with time due to the mobility of users in mobile communications system. Most traditional static CoMP transmission clustering algorithm are predefined CoMP clusters. As the distribution of cell-edge users in the system changes, the transmission clusters may not meet the needs of cell edge UEs so that the transmission gain is limited. Compared with static CoMP iv.

(7) clustering, dynamic CoMP clustering changes with time to meet the needs of cell-edge UEs, providing an appropriate service to cell-edge UEs. However, dynamic system belongs to distributed system and lacks management control center, it highly depends on frequent communication signals among base stations during the process of clustering generation. This paper proposes a dynamic clustering algorithm for CoMP-JP - Hierarchical Adaptive Clustering for CoMP (HACC). By hierarchical structure, HACC not only has the advantages of static CoMP centralized system, but also maintains the characteristics. 政治大. of dynamic CoMP adjusting the clustering with cell-edge users. At the first step, we. 立. define an upper cluster representative of the group (top cluster head). Then, depending. ‧ 國. 學. on the number of cell-edge UEs in every sector, the system chooses sub-cluster head.. ‧. Sub-cluster head chooses neighboring sectors to generate a CoMP-JP transmission cluster. In addition, relay stations amplify the signal from BS providing better. sit. y. Nat. io. er. transmission quality for non-cell-edge UEs.. Simulation results show that the proposed method outperforms traditional static. n. al. Ch. i Un. v. CoMP clustering and UE-specific CoMP clustering method proposed by Hongbin et. engchi. al.[10] in data throughput, particularly for cell-edge UEs, and spectrum utilization.. v.

(8) 目次第一章緒論.................................................................................................................. 1 1.1 LTE-Advanced 簡介 ........................................................................................ 1 1.2 載波聚合(Carrier Aggregation) ....................................................................... 2 1.3 協同多點協調傳輸(Co-ordinated Multi-point Transmission) ........................ 3 1.4 MIMO 技術 ..................................................................................................... 7 1.5 中繼技術(Relay)與中繼站分類.................................................................... 10 1.6 研究動機與目的............................................................................................ 11 1.7 論文架構........................................................................................................ 12 第二章相關研究........................................................................................................ 14 2.1 使用自我組織網路概念於 CoMP ................................................................ 15 2.1.1 自我組織網路 (Self -Organizing Network) ...................................... 15. 政治大 2.1.2 調適性 CoMP 立..................................................................................... 16. ‧ 國. 學. 2.1.3 加入 SON 概念於 CoMP 之實驗模擬與結果 .................................. 17 2.2 採 UE-specific 觀點的分散式 CoMP 叢集架構 .......................................... 17 2.2.1 UE-specific 與 network-defined 之 CoMP 叢集架構........................ 17. ‧. 2.2.2 採 UE-specific 觀點之分散式不重疊 CoMP 叢集生成演算法 ....... 18 2.2.3 採 UE-specific 觀點之分散式不重疊 CoMP 叢集演算法實驗模擬與結果.......................................................................................................... 20 2.3 事先定義 CoMP 傳輸樣式的 CoMP 傳輸演算法 ....................................... 20 2.4 相鄰 sector 採不同的天線配置於 CoMP 傳輸............................................ 24 2.5 Inter-site CoMP 與 intra-site CoMP .............................................................. 25 2.6 異質性網路(Heterogeneous Network，HetNet)下的 CoMP 傳輸 .............. 26 2.7 CoMP 傳輸叢集的研究方向 ........................................................................ 28 第三章研究方法........................................................................................................ 30. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 3.1 研究方法........................................................................................................ 30 3.2 研究步驟........................................................................................................ 31 3.3 動態 CoMP 分組流程 ................................................................................... 37 3.3.1 協調傳輸群組的分組依據................................................................. 38 3.3.2 協調傳輸群組的形成順序................................................................. 39 第四章模擬實驗........................................................................................................ 45 4.1 實驗環境與假設............................................................................................ 45 4.1.1 LTE-A Simulator 與 WINNER II Channel Models ............................ 45 4.1.2 評估指標............................................................................................. 45 vi.

(9) 4.1.3 模擬環境............................................................................................. 46 4.2 實驗結果........................................................................................................ 47 4.2.1 實驗一................................................................................................. 48 4.2.2 實驗二................................................................................................. 53 第五章結論與未來研究............................................................................................ 56 5.1 結論................................................................................................................ 56 5.2 未來研究........................................................................................................ 57 參考文獻...................................................................................................................... 58. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vii. i Un. v.

(10) 表次表 1.1 CoMP-JP 與 CoMP-CS/CB ................................................................................ 5 表 2.1 Cell cluster patterns........................................................................................... 23 表 2.2 CoMP 傳輸叢集相關研究比較 ....................................................................... 29 表 3.1 Sector 內細胞邊緣 UE 數統計 ........................................................................ 40 表 4.1 模擬環境參數................................................................................................... 47 表 4.2 HACC3 與 DC3 相比於細胞邊緣使用者吞吐量 ........................................... 52 表 4.3 HACC6 與 DC3、DC6 相比於細胞邊緣使用者吞吐量 ............................... 52 表 4.4 HACC3 與 DC3 相比於頻譜使用率(bit/s/Hz/area unit) ................................ 55 表 4.5 HACC6 與 DC3、DC6 相比於頻譜使用率(bit/s/Hz/area unit) ..................... 55. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. viii. i Un. v.

(11) 圖次圖 1.1 連續與非連續載波聚合圖示[1] ..................................................................... 2 圖 1.2 連續單頻段或頻段內(Intra-band)、非連續單頻段，以及非連續多頻段或頻段間(Inter-band)圖示[2] ................................................................................. 3 圖 1.3 多點協作通訊系統示意圖 .............................................................................. 4 圖 1.4 CoMP 應用場景 1[4] ....................................................................................... 6 圖 1.5 CoMP 應用場景 2[4] ....................................................................................... 6 圖 1.6 CoMP 應用場景 3[4] ....................................................................................... 7 圖 1.7 SISO，SIMO，MISO，MIMO 示意圖[5] .................................................... 8 圖 1.8 經過發射、折射形成多個 Gaussian 通道[6] ................................................. 9 圖 1.9 無線通訊系統在空間中所面臨的問題[6] ..................................................... 9. 政治大圖 1.10 蜂巢佈局圖[6] ............................................................................................. 10 立. ‧ 國. 學. 圖 2.1 SON 基地台啟動模式 ................................................................................... 15 圖 2.2 使用 CCU 於 Adaptive CoMP Clustering[9] ................................................. 16 圖 2.3 Cell-edge UE 主要受到的干擾源 ................................................................. 19. ‧. 圖 2.4 一個 cell 劃分為 3 個 sector .......................................................................... 21 圖 2.5 CoMP 傳輸分組樣式 ..................................................................................... 22 圖 2.6 相鄰 cell 的 sector 排列方式 1 ...................................................................... 24 圖 2.7 系統模擬之 cell 與 sector 排列方式 ............................................................. 24 圖 2.8 相鄰 cell 的 sector 排列方式 2 ...................................................................... 25 圖 2.9 Inter-site CoMP 與 intra-site CoMP ............................................................... 26 圖 3.1 CoMP-JP......................................................................................................... 31 圖 3.2 相鄰 cell 的 sector 排列方式 ......................................................................... 32 圖 3.3 19 個 cell 與 top cluster head ......................................................................... 36. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3.4 19 個 cell 劃分為 57 個 sector ....................................................................... 37 圖 3.5 1 個 sector 與 6 個 sector 相鄰 ...................................................................... 39 圖 3.6 Top cluster head 選出 sub-cluster head .......................................................... 40 圖 3.7 以 sector 1 為首形成 cluster .......................................................................... 41 圖 3.8 以 sector 1、15 為首形成 cluster .................................................................. 42 圖 3.9 以 sector 1、15、17 為首形成 cluster .......................................................... 42 圖 3.10 編號 8、19、21 號 sector 尚未屬於任何叢集........................................... 44 圖 3.11 所有 sector 分組完成 ................................................................................... 44 圖 4.1 整體 throughput 比較圖(30UEs/cell) ............................................................ 49 ix.

(12) 圖 4.2 整體 throughput 比較圖(50UEs/cell) ............................................................ 49 圖 4.3 整體 throughput 比較圖(30 UEs/cell &50UEs/cell) ..................................... 49 圖 4.4 細胞邊緣使用者之 throughput 比較(30UEs/cell) ........................................ 50 圖 4.5 細胞邊緣使用者之 throughput 比較(50UEs/cell) ........................................ 51 圖 4.6 細胞邊緣使用者之 throughput 比較(30UEs/cell &50UEs/cell) .................. 51 圖 4.8 系統整體頻譜使用率比較圖(50UEs/cell) .................................................... 53 圖 4.9 系統整體頻譜使用率比較圖(30UEs/cell &50UEs/cell) .............................. 54. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. x. i Un. v.

(13) 第一章緒論 1.1 LTE-Advanced 簡介 LTE-Advanced 為 3G 行動通訊系統 LTE(Long Term Evolution)的增強板，下行與上行分別可達 1Gbps 與 500Mbps，頻寬最高可達 100MHz。 LTE-A 由 3GPP 所制定，符合 IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication-Advanced)的通訊標準，例如:全 IP 封包交換網路、在高速移. 政治大. 動的環境下可達到約 100 Mbps 的資料傳輸速率和在低速移動的環境下可高達約. 立. 1Gbps 的資料傳輸速率、最高可使用 100MHz 的頻寬、提供高品質的服務 QoS. ‧ 國. 學. (Quality of Service)等。. LTE-A 的上行使用 SC-FDMA(單載波分頻多工，Single-Carrier Frequency-. ‧. Division Multiple Access)技術，下行則是採用 OFDMA(正交分頻多工調變擷取，. y. Nat. n. al. er. io. 的傳輸速率。. sit. Orthogonal Frequency Division Multiple Access)，以及採用多天線技術以提供更高. Ch. i Un. v. LTE-A 具有以下幾項關鍵技術:載波聚合(Carrier Aggregation，CA)、協同多. engchi. 點協調傳輸(Co-ordinated Multi-point Transmission，CoMP Transmission)、中繼技術(Relay)與 Enhanced MIMO 技術。使用載波聚合技術可將非連續的頻段合併，最高可提供 100MHz 的頻寬，而為了提升基地台的覆蓋率與基地台邊緣用戶的資料傳輸量，LTE-A 加入中繼站(Relay Node)並使用協同多點協調傳輸，使用 Enhanced MIMO 技術提升系統整體的頻譜效率以及提升傳輸速率並改善通訊品質。. 1.

(14) 1.2 載波聚合(Carrier Aggregation) IMT-Advanced 訂定的 4G 要求靜止時的峰值資料傳輸率(peak data rate)達 1Gbps，移動時的峰值資料傳輸率達 100Mbps。然而以目前頻譜的使用及規劃，並非每個營運商都可以拿到完整連續的 100MHz 頻寬。再加上目前標準定義的頻寬最大為 20MHz，若要達到 4G 需要的峰值傳輸率，營運商必須將數個連續、或不連續的頻帶合併使用。載波聚合是 LTE Release 10 的一項重要增強特性，藉由聚集兩個或以上的組成載波(Component Carrier，CC)，LTE-Advanced 最高可實現 100MHz 的頻譜分. 政治大在 3GPP Release 10 中制定了三種載波聚合方式，連續單頻段或頻段內(Intra立. 配。. ‧ 國. 學. band contiguous)、非連續單頻段(Intra-band non-contiguous)，以及非連續多頻段或頻段間(Inter-band)。載波聚合技術可聚合 1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、. ‧. 20MHz 六種不同頻寬的組成載波，一次最多組合五個載波，因此最大頻寬可達. n. al. er. io. sit. y. Nat. 100MHz。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.1 連續與非連續載波聚合圖示[1]. 2.

(15) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. n. iv n C 圖 1.2 連續單頻段或頻段內(Intra-band)、非連續單頻段，以及非連續多頻段或頻 hengchi U 段間(Inter-band)圖示[2]. 1.3 協同多點協調傳輸(Co-ordinated Multi-point Transmission) 由於無線電訊號在傳送過程中訊號強度會隨著傳送距離增加而衰減，在蜂巢式(cellular)無線通訊系統中，位於細胞邊界的用戶通常會因為距離基地台較遠造成接收到的信號強度較弱，再加上其鄰近相鄰的其他數個細胞，容易遭受其他細胞的信號干擾導致整體傳輸信號品質較差。為了改善細胞邊界的傳輸效能以提升 3.

(16) 整體系統頻譜使用效益，各細胞基地台間的協調與合作技術稱為『多點協調』[3]。如圖 1.3 所示，CoMP 利用光纖連接的基地台進行協調合作，相鄰的幾個基地台或傳輸節點同時為一個使用者服務，來提高使用者的傳輸速率。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 1.3 多點協作通訊系統示意圖. ‧. sit. y. Nat. CoMP 技術透過行動網路中多節點協作傳輸，解決現有移動蜂巢單跳（Signal. io. 高無線頻譜傳輸效率，並且擴大 cell 的服務範圍。. al. er. Hop）網路中單 cell 單基站傳輸對系統頻譜效率的限制，克服 cell 間的干擾以提. n. iv n C 目前的行動通訊系統中，使用者所接收的資料通常只來自於某一個基地台， hengchi U. 屬於單點傳輸（single-node transmission）。通常當使用者位在細胞中心（cell center）靠近基地台時可以保持一定的通訊品質，然而一旦使用者移動到細胞邊緣（cell edge）時，由於遠離基地台使得信號減弱，再加上鄰近細胞基地台的訊號彼此干擾，會造成訊號雜訊比(Signal to Noise Ratio，SNR)快速下降，導致通訊品質以及資料吞吐量（throughput）下降。透過協調式多點傳送與接收技術（Coordinated Multipoint Transmission/Reception）可有效解決此問題，因而受到廣泛的討論。 CoMP 技術主要可分為兩大模式:『聯合處理模式(Joint Processing，JP)』與『協調排程/協調波束形成(Coordinated Scheduling/Beamforming，CS/CB)』(表 1.1)。聯合處理模式：傳輸給用戶的資料分佈在整個 CoMP 協作集合(Cooperating 4.

(17) Set)中的每一傳輸節點，使用者接收的資訊是來自多個節點同時傳送，以提高接收訊號的品質。協調排程/協調波束形成：傳輸給用戶的資料只分佈在服務小區細胞(serving cell )/基站，但用戶對於排程/波束形成的決策與回報則是基於整個 CoMP 協作集合所進行協調細胞之間的協定所決定，單一時刻只有一個基地台傳送訊息給使用者。 Joint Processing(JP). Coordinated Scheduling/Beamforming(CS/CB). 立. 政治大. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 學表 1.1 CoMP-JP 與 CoMP-CS/CB. io. 傳輸的節點。. er. 除此之外，使用 CoMP 傳輸時，會定義 CoMP 協作集合與集合內參與 CoMP. al. n. iv n C CoMP 協作集合：定義地理位置上分開的數個傳輸節點，直接或間接參與資 hengchi U. 料傳輸予用戶端的集合。 CoMP 傳輸節點(Transmission Point)：定義資料傳輸節點中的某一點或某一集合主動地傳輸資料給用戶端。其中，CoMP 傳輸節點是 CoMP 協作集合的子集合。目前 3GPP LTE-A Rel-11 下行 CoMP 技術可分為以下四種應用場景[4]：. . 應用場景 1：協作集合內多點協調(Intra-site CoMP)的同質(Homogeneous) 網路。如三個扇形區域形成的協作集合區域(coordination area)，如圖 1.4。 5.

(18) eNB Coordination area. 圖 1.4 CoMP 應用場景 1[4]. . 應用場景 2：協作集合內具高傳輸功率之遠端無線接點(Remote Radio Header，簡稱 RRH)的同質網路。例如用於巨型細胞(Macrocell)的高傳輸. 政治大. 功率之遠端無線接點，如圖 1.5。. 立. ‧ 國. 學. High Tx power RRH. ‧. Optical fiber. er. io. iv l C n hengchi U 應用場景 3：在細胞的服務涵蓋範圍內具有較低傳輸功率之遠端無線接 n. . sit. y. Nat.  Assume high Tx 應用場景 power RRH 圖 1.5 CoMP 2[4] as same as eNB a. 點的異質(Heterogeneous)網路，這些較低傳輸功率之遠端無線接點具有不同的細胞辨識碼(cell ID)，如圖 1.6。. 6.

(19) eNB Low Tx power RRH (Omni-antenna) Optical fiber 圖 1.6 CoMP 應用場景 3[4]. . 應用場景 4：在細胞的服務涵蓋範圍內具有較低傳輸功率之遠端無線接點的異質(Heterogeneous)網路，這些較低傳輸功率之遠端無線接點具有. 治政相同的細胞辨識碼，如圖 1.6。大立 ‧ 國. 學. 1.4 MIMO 技術. MIMO 是指在發射端及接收端使用兩根或以上的天線發送、接收資料以達成. ‧. 快速資料傳輸。3GPP 於 LTE 規範中提供 4x4 MIMO 通道技術，LTE-A 規範中. y. Nat. io. sit. 則提供最多 8x8 MIMO DL(8 個下鏈通道)、4x4 MIMO UL(4 個上鏈通道) 的能. n. al. er. 力。根據發送端與接收端的天線數目，可將 MIMO 分為四種類型:. Ch. i Un. v. （1）單輸入單輸出（Single-Input Single-Output，SISO）. engchi. （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）. 7.

(20) 政治大. 立. ‧ 國. 學. 圖 1.7 SISO，SIMO，MISO，MIMO 示意圖[5]. ‧. 由於行動通信系統中能使用的頻譜資源有限，因此頻譜的有效利用、多徑干. y. Nat. n. al. er. io. 要問題。. sit. 擾、信號延遲和鄰近通道的干擾，皆為無線通訊系統在效能和容量上所面臨的主. （1）多徑干擾. Ch. engchi. i Un. v. 在無線通訊系統中，信號從發射端經過不同障礙物的反射，信號經過不同路徑到達接收端，到達預定的接收端可能引發多個 Gaussian 通道，如下圖 1.8 所示。這些經過不同路徑到達接收端的信號，在相位上與正常到達接收端的信號不一致，相位可能提前或滯後。. 8.

(21) 圖 1.8 經過發射、折射形成多個 Gaussian 通道[6]. （2）信號延遲. 立. 政治大. 當反射信號的延遲時間大於信號周期的 10%的時候，反射信號由於有時間. ‧ 國. 學. 接收上的差異變成了雜訊。在行動通信系統中，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。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。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 1.9 無線通訊系統在空間中所面臨的問題[6]. （3）鄰近通道所造成的干擾由於頻譜資源有限，頻率的利用比容量的提升更重要。如圖 1.10 無線蜂巢系統的示意圖，圖中假設使用三種頻率 F1、F2 和 F3。將一個平面區域分成多個 9.

(22) cell，不同 cell 採用不同的頻率通道。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。為了減少這種干擾會增加 cell 之間的距離，使得信號的覆蓋面積不完全，導致部分用戶不在無線通訊系統基地台的服務範圍內，目前許多研究多假設鄰近通道的干擾屬於 Gaussian 雜訊。. 學. ‧ 國. 立. 政治大圖 1.10 蜂巢佈局圖[6]. ‧ sit. y. Nat. MIMO 技術的引進可藉以改善通訊品質與提高傳輸速率，其說明如下：. n. al. er. io. (1)改善通訊品質. i Un. v. 相同的資料由多組天線來進行傳送與接收，由於傳送或接收的路徑獨立，. Ch. engchi. 可達到訊號的分集增益(Diversity Gain)，通常多與時空編碼(Space-Time Code) 一同使用，可改善因多路徑衰落(Multipath Fading)所降低的訊號品質。 (2)提高傳輸速率 MIMO 系統將傳送的資料分割成不同的資料串(data stream)，透過不同的天線傳送稱為空間多工(Spatial Multiplexing)技術。. 1.5 中繼技術(Relay)與中繼站分類 Steven W. Peters et al. [7]的研究指出，在 LTE-A 系統中之中繼站架構能有效提升系統容量與覆蓋範圍，屬於建置成本較低的技術。中繼站的主要功能如下: 10.

(23) (1)增加訊號覆蓋區域，提升中繼站(Relay)範圍內的訊號雜訊比(SNR)。 (2)進行協同傳輸(CoMP)。 (3)中繼站可使用無線傳輸與基地台聯繫，佈建容易、彈性大不受地理環境的限制，佈建中繼站之費用也較傳統基地台低。 M. Iwamura et al. [8]提到，根據中繼站功能層級可將之分為三類: (1) Layer1 relay：功能類似訊號放大器(Amplify and Forward)，將接收到的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：具有 Layer 2 的能力，並可對覆蓋區域中的無線資源做管理控制. 治政的工作，功能類似小型基地台，具有基地台骨幹的大部分功能，在 IP 網路中亦大立可具有路由能力，佈建成本為三種中最高，但仍遠低於 BS 成本(約為 1/3 成本)。 ‧ 國. 學 ‧. 1.6 研究動機與目的. sit. y. Nat. 第四代行動通訊系統(Fourth Generation of Mobile Communications System，. n. al. 加入多點協作傳輸以加強基地台服務的覆蓋率。. Ch. engchi. er. io. 簡稱 4G)LTE-A 利用載波聚合與多天線通道技術大幅提升上傳與下載的速率，並. i Un. v. 使用多點協作傳輸機制傳送與接收可提升基地台服務的涵蓋面以及細胞邊緣的傳輸速率，然而在基地台的部署中，如果基地台的頻率有重複使用的狀況，則其他基地台的干擾將會影響資料的傳輸效率。使用 CoMP 的目的是將來自其他基地台的干擾轉成對基地台邊界有用的訊號，動態協調多個基地台互相調整訊號，以達到最佳的訊號傳輸。目前的行動通訊系統中，使用者所接收的資料通常來自於某一個基地台，因此當使用者位於細胞中心靠近基地台時可保持一定的通訊品質。一旦使用者移動到細胞邊緣時會因遠離基地台，導致接收的信號減弱再加上相鄰細胞之間彼此的干擾，會使訊號雜訊比快速下降，導致通訊品質與資料吞吐量下降。 11.

(24) 多點協作聯合傳輸技術是指協調的多個天線擷取點之間的發射與接收技術，基地台之間利用光纖連接來進行協調合作，相鄰的幾個基地台或傳輸節點同時為一個使用者服務，來提高使用者的傳輸率。使用CoMP技術需要基地台之間互相協調，因此目前動態、調適性的CoMP技術被廣泛地討論，如何提升基地台之間溝通傳輸的效率進而提升基地台分群合作傳輸的傳輸品質。由於CoMP技術需要基地台間互相溝通協調合作，因此基地台之間的訊息交換為一重要議題。階層式的CoMP架構雖然細胞叢集(Cluster)的分布不如分散式的細胞叢集有彈性，但透過上層的管理控制單位發送控制訊息以及參與細胞叢集規劃的生成可減少底層基地台之間的資訊交換與計算複雜度；相反. 治政地，分散式的細胞叢集架構雖然可以依照細胞邊緣使用者的分布情況規劃CoMP 大立的合作叢集，但合作的基地台之間資訊交換以及計算複雜度隨著叢集內基地台的 ‧ 國. 學. 數量遽增。因此，我們提出一個叢集生成演算法-階層式動態CoMP傳輸叢集演算. ‧. 法(Hierarchical Adaptive Clustering for CoMP ，HACC)，具有上層的控制單位在. sit. y. Nat. 叢集生成的過程中扮演管理者的角色，底層基地台負責收集邊緣使用者的相關資. io. er. 訊並將與叢集分組有關之訊息傳送給上層的控制單位，避免上層控制單位處理服務範圍內所有的使用者資料負擔過重，資料分析後由上層控制單位決定叢集的生. n. al. 成。. Ch. engchi. i Un. v. 1.7 論文架構本論文共分為五個章節，其內容如下: 第一章緒論簡介 LTE-A 背景，並對 CoMP 等功能作簡介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，使用 CoMP 傳輸的方式 12.

(25) 第三章研究方法分析所提出的動態 CoMP Cluster 演算法，設計一使用於 LTE-A 環境下使用 CoMP 於 Downlink 端協助傳輸與提升頻譜使用率的分法第四章模擬實驗第五章結論與未來研究參考文獻. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 13. i Un. v.

(26) 第二章相關研究使用 CoMP 傳輸是 LTE-A 提升服務品質與資料吞吐量的一大重點技術，對於屬於同一個協作集合的基地台的形成以及形成後之管理為當前的研究議題。 CoMP 傳輸技術主要是可提升頻譜使用率以及細胞邊緣的傳輸率，此技術主要用於傳輸下行端，多個不同的細胞互相協調合作傳輸資料給使用者，提升使用者的 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)值並降低干擾。由於使用 CoMP 傳輸技術需要基地台之間傳輸資料溝通，除了地底下的實. 治政體光纖網路，空中傳輸介面的部分也有訊號傳輸、發送，為了避免溝通訊息太多大立造成傳輸資料的頻寬減少或是溝通時間太長而造成傳輸延遲，在實作中通常會限 ‧ 國. 學. 制協作集合的大小以控制參與 CoMP 傳輸的基地台數量。. ‧. 原則上，規劃基地台參與 CoMP 傳輸叢集的分組可分為靜態(static)與動態. sit. y. Nat. (dynamic)兩類演算法。靜態的叢集分組演算法主要是依照基地台的地理位置為. io. er. 分組考量，將鄰近的基地台編為同一叢集，將整個系統內的合作叢集事先定義好。動態的叢集分組演算法則是依據使用者裝置(User Equipment，UE)的分布與需求. al. n. iv n C 為考量，根據 UE 當時的地理位置與無線電射頻(Radio h e n g c h i U frequency，RF)使用情況做為分組考量，在定義的單位時間內與當下形成的叢集使用 CoMP 傳輸技術。. CoMP 叢集產生演算法除了以靜態或動態產生分類，也可以網路架構定義為主(network-defined)或是以使用者為中心(UE-specific)作為形成合作傳輸叢集的依據。藉由演算法定義出 CoMP 合作叢集之後，觀察產生的叢集也可分為兩類討論，分別是重疊(overlap)與非重疊(non-overlap)兩大類。分類的依據則是以合作傳輸的網路系統之最小單位是否同時存在於不同合作叢集，若有分組的系統最小單位不只存在於一個合作叢集則稱為重疊分組叢集(overlap clustering)，反之則稱非重疊分組叢集(non-overlap clustering)。 14.

(27) 2.1 使用自我組織網路概念於 CoMP Ralf et al. [9]提出加入 LTE-A 中自我組織網路(Self -Organizing Network， SON)的概念，在既有的基礎架構中加入 CoMP 控制中心(CoMP Central Unit， CCU)，有利於基地台之間的協調與排程以節省人力成本。. 2.1.1 自我組織網路 (Self -Organizing Network) 自我組織網路的概念於 LTE 中被提出，在基地台的布建上與過去傳統網路有所差異。傳統布建基地台從尋找合適的架設位置到基地台基本參數的設定，例. 政治大. 如發射功率、天線角度，而每架設一座基地台必須重複設定相關參數，以人工的. 立. 方式到基地台所在地進行軟體安裝設定、啟動，再與子網管理中心(Operation&. ‧ 國. 學. Maintenance Center，OMC)及網路核心開啟網路連結，整個流程需安裝設定流程耗時十至十五個小時，人力資源成本相當龐大。為滿足使用者服務需求，基地台. ‧. 的數量也會隨之增加，當基地台到達一定數量時，為避免鄰近的基地台互相干擾，. y. Nat. io. sit. 此時必須對基地台做最佳化的調整(optimization)，包括控管路測工具的開發成本、. n. al. er. 實際路測(field trial)成本，加上針對基地台做最佳化，這將是日以繼夜不間斷的工作。. Ch. engchi. i Un. v. 如圖 2.1 所示，SON 提供的基地台自我啟動模式，只需要在基地台配置極少的參數，經由現場工程師連上網路開機，基地台自己就能完成資料準備、OMC 定址連結與核心網連結、下載基地台軟體、下載無線電頻譜規畫及傳輸配置資料、啟動鄰區檢測及無線覆蓋及容量設置，基地台自動最佳化調整，與傳統手動模式相比效率大幅提升。. 圖 2.1 SON 基地台啟動模式 15.

(28) 2.1.2 調適性 CoMP 使用調適性的 CoMP 可因應當前的網路環境、UE 所在處、UE 的移動性以及系統負載等具時效性的參數，建立協作集合，比靜態的叢集產生演算法效果更加。首先，系統內的所有 UE 會傳送 radio quality 給其 serving cell，傳送的內容包含 RF、MRMS(Measurement Report Messages)、RSRP(Reference Signal Receiving Power)，以及從 UE 所在處測得對其他基地台之訊號強度。而各個基地台收集其服務範圍內所有 UE 的回傳資訊後，會將資訊統整交給 CCU 集中處理，對收集. 政治大. 到的資訊運算處理，形成 CoMP 傳輸的協作集合 ( 圖 2.2) 。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2.2 使用 CCU 於 Adaptive CoMP Clustering[9]. 在 LTE-A 的架構中， CCU 可視為是 SON 概念中 OAM (Operation& Maintenance) 的伺服器(server)，基地台之間也藉由實踐 ANR(Automatic Neighbor Relation)自動建立臨近基地台之間的溝通以促進彼此的訊息交換，有助於調適性的叢集生成運算在 CoMP 傳輸上有更好的效果。 16.

(29) 2.1.3 加入 SON 概念於 CoMP 之實驗模擬與結果與靜態的 CoMP 傳輸相比，整體約有 30%的 UE 會使用到此動態產生的 CoMP 叢組傳輸。使用者先將服務請求、所在地理位置、訊號品質測量等資訊傳給基地台，基地台再將使用者的資訊傳給 CoMP 控制中心，CCU 獲得其管轄範圍內所有的使用者與無線電使用資源等資訊，並對 CoMP 傳輸的組成與資源進行分配與規劃。這樣的優點為透過 CCU 規劃 CoMP 傳輸叢集，基地台的工作量減少，不必進行 CoMP 傳輸叢集生成演算法的運算；缺點則是 CCU 的計算量高，要處理的資料量太大。. 政治大. 2.2 採 UE-specific 觀點的分散式 CoMP 叢集架構立. ‧ 國. 學. Hongbin et al. [10]提出分散式的 CoMP 叢集架構，以細胞的 sector(扇形區域) 為單位組成叢集，使用 PF(Proportional Fairness) 排程演算法，提升細胞邊緣使用. ‧. 者的傳輸率與系統整體的頻譜資源使用率。使用者將服務請求、所在地理位置、. y. Nat. io. sit. 訊號品質測量等資訊傳送至基地台，基地台依照使用者的地理位置與訊號強度判. n. al. er. 斷需要使用 CoMP 的使用者數目以及各鄰近細胞訊號對其干擾的程度，與鄰近. Ch. i Un. v. 的細胞進行資料交換，彼此衡量是否要將對方的 sector 與自己的 sector 合作傳輸。. engchi. 此方法從 UE-specific 的觀點出發，定義一個傳輸群組最多由 6 個 sector 組成，避免叢集太大造成基地台間溝通訊息因過多而影響資料傳輸的頻寬與傳輸延遲。此系統設計倚賴基地台之間的溝通，自己組成多點協調傳輸的群組，看似計算量低但是組成叢集的溝通過程繁雜，容易造成系統延遲。. 2.2.1 UE-specific 與 network-defined 之 CoMP 叢集架構規劃 CoMP 傳輸群組可從系統管理者或使用者的觀點出發，依據不同觀點形成的傳輸群組具有不同特性並各有其優缺點，從系統管理的觀點出發生成的叢 17.

(30) 集視為 network-defined cluster，從使用者的觀點產生的分組稱為 UE- specific cluster。 Network-defined cluster 具有不重疊(non-overlap)的特性，分組的基本傳輸單位只屬於一個 cluster，通常屬於靜態生成叢集的演算法，由系統業者事先規劃好 CoMP 傳輸的叢集。在此架構下，使用者使用 CoMP 傳輸時只能加入其 serving BS(基地台，Base Station)所屬於的傳輸群組，即使對 UE 而言鄰近的基地台對其訊號影響較大使用 CoMP JP 的傳輸增益可能比現在隸屬的叢集還大，UE 也不可跨區使用 CoMP 傳輸。 UE-specific cluster 則是具有重疊(overlap)的特性，分組的基本傳輸單位屬於. 治政一個或以上的 cluster，通常屬於動態生成叢集演算法，由大 UE 自己選擇系統中的立 sector 作為 CoMP 傳輸成員，自行規劃 CoMP 傳輸叢集。在此架構下，UE 以自 ‧ 國. 學. 己所在處為出發點向周圍的 sector 收集通道資訊並挑選協調傳輸的成員，因此一. ‧. 個 sector 可能同時存在於不同 UE 規劃的而成傳輸群組。以 UE-specific 的觀點形. sit. y. Nat. 成 cluster UE 端計算較為複雜，需要自行與一個以上的基地台溝通協調，形成的. io. al. n. 能提供最好的傳輸增益。. er. 傳輸叢集各自獨立也較沒有組織性，但形成的傳輸群組對於 UE 而言是最佳叢集. Ch. engchi. i Un. v. 2.2.2 採 UE-specific 觀點之分散式不重疊 CoMP 叢集生成演算法為了改善以 UE-specific 的觀點形成 CoMP 合作傳輸叢集 UE 端之複雜計算量，Hongbin et al.[10] 提出了 Distributed Non-overlapping Cluster Combination Method，對於傳輸叢集的規劃與行程由基地台負責，但是以 UE-specific 的觀點為前提，以符合多數 UE 為前提形成協作傳輸叢集。以圖 2.3 為例，假設 sector 編號 3、9、10 為一個 CoMP 的傳輸叢集，UE 編號 1~8 則是代表此傳輸叢集中屬於細胞邊緣的使用者，即參與 CoMP 傳輸的 UE。圖中箭頭符號指出的方向代表 UE 主要受到的干擾源，以 UE1 為例，UE1 屬於 18.

(31) sector3 的服務範圍，在 UE1 的位置所接收到的訊號干擾中來自 sector6 的訊號干擾程度最強。Sector3 中 UE1 的訊號干擾主要來自 sector6，UE3、UE4 與 UE5 的訊號干擾主要來自 sector10；sector10 中 UE2 的訊號干擾主要來自 sector9，UE6、 UE7 與 UE8 的訊號干擾主要來自 sector14。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 2.3 Cell-edge UE 主要受到的干擾源. i Un. v. 由圖 2.3 可發現，若單純以 network-defined 方式定義 sector 編號 3、9、10. Ch. engchi. 號為傳輸叢集，然而 UE1、UE6、UE7 與 UE8 的主要干擾源並非此傳輸叢集之成員，則此傳輸叢集中八個屬於細胞邊緣的 UE 有一半的 UE 無法與主要干擾源合作形成理想的傳輸叢集，UE 編號 1、6、7、8 號對於參與此傳輸叢集所能提升的傳輸品質有限。因此 Hongbin et al. [10]提出形成 CoMP 傳輸叢集應該將 UE 的回報訊息加入討論，形成的合作傳輸叢集成員以符合多數細胞邊緣使用者的干擾源為原則，才能真正有效提升傳輸品質。由 serving BS 收集其服務範圍內各細胞邊緣使用者受到其他相鄰基地台的干擾程度資訊，統計服務範圍中細胞邊緣使用者主要是受到哪一個基地台的 sector 干擾程度最大，並與之合作形成傳輸叢集，由基地台擔任 19.

(32) 形成合作叢集的溝通者。在叢集生成的過程中倚賴基地台間頻繁的訊息溝通，以生成叢集的第一次扇形區域接合(join)為例，一個扇形區域與其他扇形區域接合時一次最多要與相鄰的 6 個扇形區域溝通。假設 N 個基地台總共 3N 個扇形區域，定義叢集大小最大為 K，則一個扇形區域在形成叢集的過程中，可能最多要與周圍的扇形區域傳送 6K 次的訊息交換才能生成叢集，則所有扇形區域的資訊交換需要 3N*6K 次系統內的叢集才能完全生成。此方法在叢集生成過程中缺乏控制單位，因此在使用 CoMP-JP 傳輸前的叢集生成基地台之間有大量的資訊交換，隨著基地台數目與叢集規模 K 的增加，基地台之間的溝通也越複雜。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 擬與結果. 學. 2.2.3 採 UE-specific 觀點之分散式不重疊 CoMP 叢集演算法實驗模. 配合 PF scheduling，Hongbin et al.[10]在模擬中設定兩種叢集大小模擬，以. y. Nat. io. sit. 最多三個或六個 sector 為一個協作集合，當兩個子叢集結合超過預設的叢集大小. n. al. er. 便不予以合併為一個叢集。並且將模擬結果與單純 network-defined cluster 與 UE-. Ch. i Un. v. specific cluster 相比，雖然傳輸效益不及 UE-specific cluster 的系統，但與 network-. engchi. defined cluster 方法相比其傳輸效益有顯著提升。其中以六個 sector 為最大合作叢集的傳輸效益又比三個 sector 為上限者更為優異，但是在基地台彼此溝通上複雜度也相對提高，考量 UE 的移動性，基地台之間的溝通應該減少，避免過多控制訊息傳送而影響資料訊息的傳送。. 2.3 事先定義 CoMP 傳輸樣式的 CoMP 傳輸演算法 Hauan et al. [11]將 19 個細胞預設為一個 CoMP 的傳送群組，選定細胞中心基地台為代表，預先將 19 個細胞總共 57 個 sector 規劃為 CoMP 傳送群組，再依照使用者的分布與需求選擇適當的叢集模式傳輸。使用此方法的優點是有叢集中 20.

(33) 心預先設定 CoMP 可能使用的傳輸群組，減少實際傳輸前所需的叢集組成運算，但由於使用者的可移動性，提供的協作傳輸叢集未必能為使用者提供最好的服務。一般在研究 CoMP 合作叢集時，一個細胞由三個 sector 所組成，而一個 sector 配置一組 120∘的指向型天線，對於細胞間 sector 的設置方式如圖 2.4 所示。. 政治大圖 2.4 一個 cell 劃分為 3 個 sector 立. ‧ 國. 學. Hauan et al. [11]將 19 個基地台總共 57 個 sector 依序編號，並定義使用 CoMP. ‧. 的傳輸叢集，依照當時 UE 的分布與需求選擇其中一種集合的樣式(pattern)，如. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 2.5 即為其中一種傳輸分組方式。. Ch. engchi. 21. i Un. v.

(34) 學. ‧ 國. 立. 政治大. 圖 2.5 CoMP 傳輸分組樣式. ‧. 此演算法屬於 network-defined 的方式事先決定合作傳輸的叢集，由於使用. y. Nat. io. sit. 者的可移動性，隨著使用者的移動，細胞邊緣使用者的人數與位置分布也有所. n. al. er. 變化，因此 Hauan et al. [11]定義了不只一種的傳輸叢集樣式，如表 2.1 所示。. Ch. i Un. v. 作者提出的演算法保有系統的傳輸選擇多樣性，同時減少形成傳輸叢集的計算. engchi. 時間以及基地台之間溝通的複雜度。. 22.

(35) Cluster Index Pattern 1 1. 2. 3. Pattern 2. Pattern 3. Pattern 4. {1 2 3}. {1 2 3 5}. {4 5 6 9}. {1 7 8 9}. {4 5 6}. {7 8 9}. {1 2 3}. {4 5 6}. {7 8 9}. {4 6}. {7 8}. {2 3}. {10 11 12} {10 11 12 36} {10 31 32 33} {32 34 35 36} {31 32 33} {31 32 33}. {34 35 36}. {10 11 12}. {34 35 36} {34 35}. {11 12}. {31 33}. {13 14 15} {14 40 41 42} {13 14 15 39} {37 38 39 40}. 政治 {40大 41 42}. {37 38 39} {37 38 39}. 立. {40 41 42} {13 15}. ‧ 國. {43 44 45}. {46 47 48} {43 44}. {47 48}. y. {16 18}. {49 50 51}. n. al. er. io. sit. {19 20 21} {49 50 51 53} {21 52 53 54} {19 20 21 49}. Ch. {52 53 54} {52 54}. i Un. {19 20}. engchi. {22 23 24} {22 23 24 25} {55 56 57} {56 57}. 7. {46 47 48}. ‧. {43 44 45} {16 17 18}. {49 50 51} {19 20 21}. 6. {41 42}. {16 17 18} {45 46 47 48} {16 17 18 46} {17 43 44 45}. Nat. 5. {37 38}. 學. 4. {13 14 15}. {25 26 27} {25 26 27 30} {28 29 30} {28 29} 表 2.1 Cell cluster patterns. 23. v. {52 53 54} {50 51}.

(36) 2.4 相鄰 sector 採不同的天線配置於 CoMP 傳輸有別於其他研究者對於 CoMP 傳輸叢集討論的系統規劃，Saley Saidou Ali 與 Navrati Saxena [12]將細胞的 sector 與相鄰的 sector 天線形成 360∘環繞，如圖 2.6 所示，模擬實驗的系統架構以 19 個基地台為例如圖 2.7 所示。. 立. 政治大. 圖 2.6 相鄰 cell 的 sector 排列方式 1. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2.7 系統模擬之 cell 與 sector 排列方式. 24.

(37) 圖 2.8 相鄰 cell 的 sector 排列方式 2. 過去討論 CoMP 傳輸群組的相關研究，研究者多將天線以圖 2.8 的方式排. 政治大說，由於參與 CoMP 傳輸的其他兩個 sector 的天線輻射方向與原來使用者所屬的立. 列。以圖 2.7 的方式設置細胞之間 sector 的相對位置，對於細胞邊緣的使用者來. ‧ 國. 學. sector 恰形成 360∘，使用者所接收到的 SINR 值較高有較好的信號強度。但是使用這種天線擺放方式，對於非參與 CoMP 傳輸的使用者接收來自其他 sector 干擾. ‧. 影響也較大，甚至造成細胞中心的使用者由於干擾情形嚴重而導致 SINR 值下降，. sit. y. Nat. 資料傳輸率下降等問題。因此，使用此種天線擺放方式討論 CoMP 群組在現實生. n. al. er. io. 活的應用上，可能有嚴重干擾的問題必須克服。. i Un. Ch. v. e n g cCoMP hi 2.5 Inter-site CoMP 與 intra-site. 於 LTE-A 的網路環境中如何應用 CoMP 傳輸技術於下載端以提升使用者的傳輸速率為一重要課題，特別是針對 UE 的可移動性而使用的動態 CoMP 傳輸技術，配合位於基地台服務範圍的邊緣使用者分布情形選擇相對應的傳輸群組。 Giovanni et al. [13]於 LTE-A 的網路環境下模擬使用動態 CoMP 傳輸的效益，特別針對 inter-site CoMP 與 intra-site CoMP 所提升的效能進行比較，透過模擬實驗的數據比較出何者對於系統與細胞邊緣使用者有較佳的傳輸效能。 25.

(38) 政治大. 圖 2.9 Inter-site CoMP 與 intra-site CoMP. 立. ‧ 國. 學. 由圖 2.9 所示，編號 1、2、3 號區域均不屬於同一個基地台的服務範圍，屬於 inter-site CoMP，編號 3、4、5 號區域屬於同一個基地台的服務範圍，屬於 intra-. ‧. site CoMP。經由模擬實驗 Giovanni et al.發現 inter-site CoMP 的傳輸效能比 intra-. y. Nat. io. sit. site CoMP 來的優異，因為 inter-site CoMP 跨越原始基地台的服務範圍，與相鄰. n. al. er. 的扇形區域形成合作傳輸群組擴大服務範圍，提升細胞邊緣 UE 的訊號強度。. Ch. engchi. i Un. v. 2.6 異質性網路(Heterogeneous Network，HetNet)下的 CoMP 傳輸第四代行動網路的基礎設施除了傳統的大型基地台，還增加許多小型基地台:micro cell、pico cell、femto cell，依照發射訊號功率的大小有不同的覆蓋面積，再加上中繼設備，使用者可藉由不同功能等級的基地台連上行動網路。CoMP 傳輸的相關研究中，在不改變傳統靜態 CoMP 傳輸叢集的架構下，Jian et al.[14]與 Ruo et al.[15]將部分大型基地台服務範圍內的使用者轉為接受小型基地台的服務， 26.

(39) 減少大型基地台的傳輸量。 Jian et al.[14]提出的方法將大型基地台服務範圍內所有的小型基地台編號，最多以兩個小型基地台為單位分組，形成一個小型的 CoMP 傳輸協作集合。在此小型 CoMP 傳輸協作集合服務範圍內的使用者不受大型基地台的服務，將使用者分流以減輕大型基地台的傳輸負擔。小型基地台將其服務範圍內可偵測到的使用者人數傳送給大型基地台，大型基地台依照此資訊為考量將兩個相鄰的小型基. 政治大. 地台分組形成 CoMP 協作集合，以使用者人數最多的小型基地台開始分組。此方. 立. 法雖然可降低大型基地台的傳輸負擔，但是考量使用者的移動性以及小型基地台. ‧ 國. 學. 的覆蓋範圍，小型 CoMP 傳輸協作集合需不斷地隨時間改變，大型基地台需頻繁. ‧. 地規劃小型 CoMP 傳輸協作集合。除此之外，小型基地台型成之 CoMP 傳輸協作集. Nat. sit er. io. 質增益有限。. y. 合同樣有 inter-site 與 intra-site 的干擾問題，實際對服務範圍內的使用者傳輸品. al. n. iv n C hengchi U Ruo et al.[15]同樣提出將大型基地台服務範圍內的使用者分流之概念，由小. 型基地台分擔大型基地台的資料傳輸量，以 PF(Proportional Fair)排程演算法決定使用者分流的順序，輪流自大型基地台服務轉為接受附近小型基地台之服務。此演算法同樣要考量使用者的移動性以及小型基地台的覆蓋範圍，以 PF 排成演算法決定使用者分流順序的結果，可能發生使用者位置改變而有不同的通道品質使得分流效果不彰的情況。. 27.

(40) 2.7 CoMP 傳輸叢集的研究方向 CoMP 傳輸技術在上行與下行皆可使用，但是在傳輸方法的研究上多以下行為主，因使用者對於下行的應用與需求較多。因此，上行的 CoMP 傳輸研究多以下行的 CoMP 傳輸叢集為考量，不改變傳輸叢集樣式，以調整演算法的排程為主。例如在 Yinxang 與 Pengxing[16]的研究中，提出在靜態的 CoMP 傳輸模式下選擇一個基地台作為中央排程單位(Central Scheduling Unit，CSU)，由 CSU 管理參與 CoMP 傳輸的使用者，當使用者提出傳輸需求給 CSU，CSU 以 RR(RoundRobin)排程演算法決定使用者資料的傳輸順序。. 政治大擬的部分多採用 19 個 cell 為模型討論，基地台也採用 120∘指向性天線，將 cell 立. 自 Hauan et al. [11]的研究開始，下行 CoMP 傳輸叢集的研究議題在系統模. ‧ 國. 學. 分成 3 個 sector，以 sector 為單位討論協作集合叢集的組成。在討論 CoMP 叢集生成的過程中分為靜態與動態兩種方式，靜態生成叢集的演算法中大多事先定義. ‧. 了分組模型，再依據細胞邊緣 UE 的數量與分布情形選擇較適合的模型。事先定. sit. y. Nat. 義分組模型可減少叢集生成的時間，但對於細胞邊緣 UE 而言未必符合其需求。. n. al. er. io. 對於叢集的規模大小，無論是靜態或動態演算法，多有規範叢集的最大規模。. i Un. v. Ralf et al.[9]則是引入 LTE-A SON 的概念，提出 cluster 階層式架構的概念，. Ch. engchi. 在叢集生成演算法的過程中調節基地台之間的溝通與排程。Giovanni et al. [13]的研究成果更確定動態 CoMP 傳輸的效率比傳統靜態 CoMP 傳輸更有顯著提升，尤其跨越原始細胞服務範圍的 inter-site CoMP 的傳輸效益又比單純細胞服務範圍內的 intra-site CoMP 更佳。由 Jian et al.[14]與 Ruo et al.[15]的研究中發現將使用者自大型基地台分流至小型基地台是一研究趨勢，但是考量使用者的移動性以及小型基地台的覆蓋範圍小，分流的演算法不宜過於複雜。. 28.

(41) Cluster 有事先 Network –defined/. 階層式的. Cluster. 定義的 pattern. clustering. 大小一致. UE-specific. 架構 Ralf et al. [9]. 否. UE-specific. 是. 否. Hongbin et al.. 否. UE-specific. 否. 否. 是. Network –defined. 否. 否. 否治政大. 是. [10] Hauan et al. [11] Saley et al.. 是. UE-specific. [12]. Network –defined. 否. 是. 學. [13]. 立. 是. ‧ 國. Giovanni et al.. ‧. 表 2.2 CoMP 傳輸叢集相關研究比較. y. Nat. io. sit. 為了使 CoMP 傳輸叢集在生成的過程中更有效率，我們提出的方法將具有. n. al. er. 管理控制單位，對系統內的基地台做整體規劃生成叢集，但使用者相關資料收集. Ch. i Un. v. 部分仍交由底層的基地台處理，在叢集生成的過程中減少底層基地台與相鄰基地. engchi. 台之間頻繁的資訊交換，卻保有考量使用者的分布與需求。除此之外，採用不固定的叢集大小在叢集的制定上也更保持彈性，並加入 Relay 輔助傳輸。. 29.

(42) 第三章研究方法 3.1 研究方法因應可攜式手持裝置具有可移動的特性，使用動態調整的CoMP機制又比傳統靜態的CoMP機制更能有效改善細胞邊緣的頻譜使用率與使用者的傳輸速率。基本的調適性的細胞叢集可分為兩類: network-defined method 與 UE-specific method，其特點分別如下。. 政治大以基地台為出發點選擇相鄰的細胞作為 CoMP 傳輸的節點立. Network-defined method: . . 集合內的各個節點只存在單一的細胞叢集. . 細胞叢集產生的成本與計算複雜度低. ‧. ‧ 國. 細胞叢集範圍不重疊，形成 non-overlapping cluster. 學. . Nat. sit. y. UE-specific method:. . 細胞叢集的範圍可能有重疊，形成 overlapping cluster. . 集合內的節點可能屬於一個或以上的細胞叢集. . 細胞叢集產生的成本與計算複雜度高. n. al. er. 以使用者為出發點選擇相鄰的細胞作為 CoMP 傳輸的節點. io. . Ch. engchi. i Un. v. 本研究方法建立於LTE-A的下行環境中，CoMP傳輸採用多點聯合處理(Joint Processing，JP)CoMP的模式(圖 3.1)。在CoMP-JP中，使用者接收的資料來自於同時傳輸的多個傳輸節點，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。亦即在進行傳輸前傳送給使用者的資料在這些傳輸點聯合預先處理，資料分佈在整個CoMP協作集合中的每一傳輸節點，且在某一時間點可有數個傳輸節點傳送資料給同一個用戶端。. 30.

(43) 圖 3.1 CoMP-JP. 政治大. 在細胞叢集的規劃上採用階層式叢集架構的方法是以 network-defined. 立. method的觀點出發，先將多個基地台定義為一個大的細胞叢集，在一個大的叢集. ‧ 國. 學. 中又可分為多個小叢集，再於每個小叢集中選出一個代表的基地台，將負責叢集內CoMP的架構以及負責將叢集內頻譜使用情形等回報給上層的叢集代表基地. ‧. 台。階層式叢集管理可減少底層架構之間的資訊傳遞，減少控制資訊傳輸的頻譜. y. Nat. io. sit. 使用讓使用者資料傳輸可使用的無線電資源增加也提高系統資料傳輸的吞吐量。. n. al. er. 在規劃CoMP合作傳輸群組時考慮細胞邊緣使用者的分布與需求規劃，是出於. Ch. i Un. v. UE-specific method的觀點，希望規劃出的CoMP傳輸集合能貼近使用者的服務需. engchi. 求，提升位於細胞邊緣使用者的資料吞吐量。. 3.2 研究步驟依照地理環境將多個 cell 組成一個大型的 top cluster，並取位於 top cluster 中心的基地台作為 cluster 的代表-top cluster head (TCH)，由其規劃管理此叢集內的基地台以形成其他小型的 CoMP-JP 傳輸集合。為方便後續的分組過程會將基地台與扇形區域編號，以 TCH 為首編號為 1 號，逆時針方向由內而外依序遞增編號，假設總共有 N 個基地台參與討論，則基地台標號會介於 1~N，而基地台的扇形區域也同時以逆時針方向依序給與編號，則扇形區域的編號介於 1~3N 之間。 31.

(44) 對於叢集底層的規劃是依據各個細胞中使用者裝置的數量以及分布的位置而定。一個細胞由三個 sector 所組成，一個 sector 配置一個 120∘的指向型天線以及兩個 Relay 於扇形區域之兩端，相鄰的基地台天線佈設方式如圖 3.2 所示。基地台收集其服務範圍內 UE 之 SINR 值以及地理位置判別各個 UE 屬於細胞中心或是細胞邊緣的 UE，若屬於細胞邊緣的 UE 位於 relay 基地台的服務範圍內，則採用 Relay 輔助傳輸不加入 CoMP 傳輸排程。使用 UE 測量的 SINR 值作為評斷標準比單純以地域性劃分細胞中心或是細胞邊緣更能實際給予 UE 傳輸上的協助。各個基地台取得其服務範圍內的細胞邊緣 UE 數目與相鄰 sector 之干擾程度後將這些資訊傳送給 TCH，TCH 根據其管理的基地台所傳遞的資訊，規畫. 治政 CoMP-JP 的合作叢集，以細胞的 sector 為基本單位。大立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. i Un. v. 圖 3.2 相鄰 cell 的 sector 排列方式. Ch. engchi. Sector 的合併是以測量的 UE 干擾為參考依據，UE 回傳的資訊中會列出對其具干擾的 sector，根據測量的干擾強度依序排列。因此 TCH 可得知各個 sector 的服務範圍內 UE 受到其他 sector 的干擾程度，將干擾較為嚴重的 sector 選為 CoMP Downlink JP 的合作節點，化干擾訊號為增益訊號。合併sector為sub-cluster的過程以sub-cluster head的優先權順序為考量，sector 內邊緣UE數目越多者優先權越大，當邊緣UE數目相同時考慮sector編號， sector編號較小者優先權較高。依照編號方式sector編號較小者相較於sector編號大者較接近叢集中心，比起邊緣的sector，接近叢集中心的sector與之相鄰的sector 32.

(45) 較多，能尋找與其合作的sector也較多，因此給予sector編號較小者較高的優先權。除此之外，系統也定義sub-cluster的最大範圍，以sector為基本單位，訂定一個sub-cluster最多由K個sector所組成。K的訂定與sub-cluster head有關，即K值的大小與生成的sub-cluster有關，sub-cluster的數目介於N~3N/K之間，一個subcluster至少由3個sector所組成。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 33. i Un. v.

(46) 流程概念圖: Start. 1. Select N base stations as top cluster, 3N sectors in top cluster. Designate top cluster head (TCH) then give ID to base stations and sectors.. 2. Given K: the upper bound of the no. of sectors of a sub-cluster.. 6. Base station reports information of cell-edge UE to TCH.. 政治大. 3. Base stations gather UE’s information in their serving areas.. 立. ‧ 國. 學. 4. Base station determines whether UE’s SINR <threshold.. priority to each subcluster head.. ‧. io. sit. y. Nat Yes. n. al. 8. Generate CoMP-JP transmission clusters.. er. No. 7. TCH chooses subcluster head from all sectors and gives. 5. UE in the service area of relay.. Ch. e No ngchi. i Un. v. 9. Each sector belongs to a cluster. Yes UE served by relay.. Yes. 10. Resource allocation by using PF scheduling.. End 34. No.

(47) Step １選出待規劃的N個基地台形成top cluster，指定位於此中心的基地台為 top cluster head. (TCH)，並將叢集內的基地台(1~N)與扇形區域(1~3N)編號，. 由TCH為首逆時針方向由叢集中心向叢集邊緣依序編號。假設以19個cell為一個大的cluster為例(圖 3.3)，選擇中心的cell 1為此top cluster的TCH，再對每個cell以及sector編號，總共有57個sector(圖 3.4)。 Step ２給定K，決定一個sub-cluster最多由多少個sector組成。 Step ３ UE將測量的SINR值與所在位置等資訊傳給其serving cell，傳送的資訊包含對其具有干擾的sector依干擾強弱排序。 Step ４ Serving cell 依照UE回傳的SINR值與所在位置設定UE為cell center UE. 治政或是cell-edge UE，若cell-edge UE的SINR值小於臨界值將於Step 5進一步判大立斷此UE是否位於relay的服務範圍內，屬於cell center的UE將進入Step10等待 ‧ 國. 學. 排程進行資料傳輸。. ‧. Step ５檢查cell-edge UE是否位於relay的服務範圍內，不在relay服務範圍內的. sit. y. Nat. cell-edge UE會被分類到Step 6使用CoMP-JP傳輸之cell-edge UE。. al. iv n C TCH根據其管理基地台回傳之cell-edge UE資訊選擇sub-cluster head作 hengchi U n. Step ７. io. 傳給TCH。. er. Step ６基地台將sector內的cell-edge UE數目與其interference sector(高到低排序). 為sub-cluster之代表。Sub-cluster head的數目介於N~3N/K之間，扇形區域內最多cell-edge UE者優先選出作為sub-cluster head，當cell-edge UE數目相同時以sector編號較小者優先。 Step ８依照sub-cluster head的優先權依序生成叢集，優先權大者依序開始， sub-cluster head尋找與之相鄰的sector組成叢集，最多找K-1個sector，相鄰的 sector須為non-sub-cluster head且不屬於其他cluster，干擾較大的sector優先加入sub-cluster。 Step ９當所有sub-cluster head依序生成sub-cluster後，TCH依照sector編號由小到大依序檢查是否有sector尚未屬於任何一個由sub-cluster head形成之sub35.

(48) cluster中，若有尚未屬於任何一個由sub-cluster head的sector會回到Step8，將之加入與其相鄰的sub-cluster中，以sub-cluster head之優先權為考量，若cluster 的大小已為最大不可加入則依序檢查加入下一個優先權最大者。 Step １０. 當所有sector都有所屬之sub-cluster，則CoMP-JP 之cluster生成步驟. 完成，進入資料傳輸的部分，資源排程分配採用PF (Proportional Fair)演算法。. 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. Top cluster head. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3.3 19 個 cell 與 top cluster head. 36.

(49) 學. 圖 3.4 19 個 cell 劃分為 57 個 sector. ‧. ‧ 國. 立. 政治大. Nat. io. sit. y. 3.3 動態 CoMP 分組流程. n. al. er. 本研究方法使用 CoMP 動態叢集分組傳輸改善位於細胞邊緣的使用者傳輸. Ch. i Un. v. 品質，透過其他細胞的基地台同時傳輸資料藉以提升封包傳送的成功率，傳輸群. engchi. 組的大小影響服務範圍的大小與受益的細胞邊緣使用者人數。傳輸群組的規模愈大，代表叢集內有越多個 sector 涵蓋的服務面積也愈大，理論上能夠服務的細胞邊緣使用者也愈多，但是當群組內參與協調傳輸的 sector 愈多也代表基地台之間的控制信號愈多，當控制信號過多就可能造成資料封包的傳輸延遲。本研究方法以 19 個 cell 為例，1 個 cell 分為 3 個 sector，整個系統總共有 57 個 sector，一個協調傳輸的叢集大小設定為最多 6 個 sector，單一個 sector 只存在於一個傳輸群組之中，屬於 non-overlapping cluster。. 37.

(50) 3.3.1 協調傳輸群組的分組依據判斷 UE 是否屬於細胞邊緣使用者是以 UE 處所測量的 SINR 值判斷，UE 將所在處測得的 SINR 值與干擾情形回報給所屬基地台，則基地台能得知其服務範圍內各個 sector 內的 UE 訊號品質，將各個 sector 內根據 UE 的 SINR 值作升冪排序，SINR 值愈小的 UE 索引值(index)愈小，篩選出 SINR 值小於系統預設臨界值的 UE 並統計個數。基地台分析 SINR 值小於系統預設臨界值的 UE 是否位於 Relay 的服務範圍內，將屬於 Relay 服務範圍內的 UE 數目扣除後將此統計結果傳送給上層基地台，即 19 個基地台的中心基地台。同時，各個基地台也分析其. 政治大 19 個基地台的中心基地台視為系統中的上層管理單位，中心基地台接收管立. 服務範圍內各個 sector 中 UE 主要是受到周圍哪個基地台的干擾。. ‧ 國. 學. 理範圍下包含自身總共 19 個基地台 57 個 sector 的回報，選出細胞邊緣使用者較多的 sector 作為子叢集(sub-cluster)的代表(cluster head)。由這些 sub-cluster 的代. ‧. 表為首，尋找鄰近的 sector 形成 CoMP 傳輸的合作叢集，cluster 的大小最多以 6. sit. y. Nat. 個 sector 為限。此部分採用的是 network-defined cluster 的觀點，由系統選擇出. n. al. 的控制資料傳送，具有階層式的管理架構。. Ch. engchi. er. io. sub-cluster 的代表掌握 sub-cluster 的資訊，可減少 sub-cluster 形成過程與傳輸上. i Un. v. 挑選服務範圍內屬於細胞邊緣使用者較多的 sector 為子叢集的管理中心，由此 sector 為出發點尋找周圍其他 sector 形成 CoMP 傳輸的 cluster，如圖 3.5 所示。假設以紅色標示的 1 號 sector 為叢集代表，與其相鄰的編號 2、3、5、6、9、20 號 sector(以黃色標記)可能是對 1 號 sector 服務範圍內的 UE 之訊號主要干擾源，但將上述 6 個 sector 全數加入 cluster 會有超過 cluster 預設大小為 6 的問題，此時 1 號 sector 會依照邊緣 UE 的回報資訊選出干擾較大之前五個 sector 加入 cluster 中。透過分析邊緣 UE 之主要干擾 sector 來源，將干擾影響較大的 sector 加入傳輸群組，由干擾的強弱依序加入，藉由參考 UE 的干擾來源選擇 CoMP 傳輸群組的概念是屬於 UE- specific cluster 的觀點。透過基地台的分析統計規劃 38.

(51) cluster 的組成，減少單純由 UE 為出發點搜尋訊號干擾源規劃 CoMP cluster 的 UE 端計算量與計算過程所耗費的電池能源與時間，也避免 UE- specific cluster 可能形成的 overlapping 現象，一個 sector 可能同時存在多個 cluster 中，造成控制封包複雜、資料封包繁多的情形。. 2. 21. 學. 圖 3.5 1 個 sector 與 6 個 sector 相鄰. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 立. 政治大 20. io. n. al. er. 3.3.2 協調傳輸群組的形成順序. i Un. v. 建立 sub-cluster 的順序由 TCH 決定，TCH 將收集到的 57 個 sector 之細胞. Ch. engchi. 邊緣 UE 數目排序，選出具有較多細胞邊緣 UE 數目的 sector 作為 sub-cluster 之 head，由這 sub-cluster head 為中心尋找相鄰的 sector 形成 CoMP 的傳輸群組。形成 sub-cluster 的順序依照由 sector 內邊緣 UE 最多者開始生成，依序遞減，當有邊緣 UE 數目相同時，sector 編號較小者有較高的優先權先形成 cluster。身為 sub-cluster 的 sector 在尋找 cluster 成員時，除了已存在其他 sub-cluster 之 sector 為保持系統 non-overlapping 的特性不再加入之外，若相鄰之 sector 也具有 subcluster head 之身分時，也暫不將此 sector 納入其生成的 cluster。以圖 3.6 與表 3.1 為例，圖 3.6 中編號以圓圈. 標示的 sector 為 top. cluster head 選為 sub-cluster head 之 sector，根據表 3.1 編號 1、5、11、15、17 之 39.

(52) sector 其服務範圍內屬於邊緣 UE 之數目分別為 10、6、5、8、8，則此五者形成 sub-cluster 之優先權順序為:1 號 sector>15 號 sector>17 號 sector>5 號 sector>11 號 sector。編號 15、17 之 sector 雖有同樣之邊緣 UE 數，但根據 sector 編號的順序，編號 15 號 sector 的優先權大於編號 17 號 sector。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. Sector number marked with black circle stands for cluster head.. 邊緣. sit er. al. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21. n. 編號. io. Sector 1. y. Nat. 圖 3.6 Top cluster head 選出 sub-cluster head. Ch. engchi. 10 2 3 2 6 1 3 0 3 2. 5. 0. i Un 1. v. 1. 8. 3. 8. 3. 0. UE 數表 3.1 Sector 內細胞邊緣 UE 數統計. 編號 1 號 sector 透過分析其內部邊緣 UE 之干擾來源，依序將相鄰之 sector 加入以 1 號 sector 為 head 之 sub-cluster 之中，則加入的成員分別為編號 2、3、 4、9、10、20 號 sector，編號 5 號 sector 雖與編號 1 號的 sector 相鄰，且透過 UE 之回報訊息可得知編號 5 號 sector 為某些邊緣 UE 之主要訊號干擾來源 sector 之. 40. 1. 2.

(53) 一，但由於編號 5 號 sector 具有 top cluster head 所賦予之 sub-cluster head 的身分，因此不將其納入生成的 cluster 之中，如圖 3.7 所示，以黃色標記 sector 已有隸屬之 sub-cluster。. black circle stands for cluster head.. 學. 圖 3.7 以 sector 1 為首形成 cluster. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 立. 政治大 Sector number marked with. io. er. 以 1 號 sector 為首之 sub-cluster 形成之後，輪到 15 號 sector 尋找其 cluster 成員。在加入相鄰之 sector 進入 cluster 的過程中，由於編號 17 號 sector 具有 top. al. n. iv n C cluster head 所賦予之 sub-cluster h head 的身分，因此不將其納入生成的 cluster 之 engchi U. 中。以編號 15 號 sector 為首的 cluster 成員為編號 13、14 號 sector 並以藍色標記，如圖 3.8 所示。. 41.

(54) Sector number marked with black circle stands for cluster head.. 治政圖 3.8 以 sector 1、15 為首形成大cluster 立 ‧ 國. 學. 接著輪到編號 17 號 sector 形成 sub-cluster，與其相鄰的 cluster 分別為編號. ‧. 3、13、15、16、18 號 sector，又其中編號 3、13、15 號 sector 已有所屬之 cluster，. y. sit. io. n. al. er. 圖 3.9。. Nat. 因此編號 17 號 sector 形成的 cluster 成員為編號 16、18 號 sector 並以綠色標記如. Ch. engchi. i Un. v. Sector number marked with black circle stands for cluster head. 圖 3.9 以 sector 1、15、17 為首形成 cluster. 42.

(55) 接下來依序由編號 11、5 號 sector 生成以其為首的 cluster，編號 11 號的 sector 加入與其相鄰的編號 10、12 號 sector 於其叢集。以編號 5 號 sector 為首的 cluster 成員有編號 4、7 號 sector，編號 1、6、9 號 sector 雖與編號 5 號 sector 相鄰，但此三者已有所屬之叢集，為維持 non-overlapping 不再加入其他叢集。經由 top cluster head 所選出的 sub-cluster head 依序生成 cluster 的過程中，若有 sub-cluster head 相鄰之 sector 均有所屬之 cluster，則此 sub-cluster head 暫不生成 cluster，sub-cluster head 先形成 CoMP 傳輸之 cluster。在所有 sub-cluster head 的 cluster 依照優先權大小依序生成 cluster 之後，top cluster head 開始檢查其管理區域內 57 個 sector，是否有 sector 未存在任何一個. 治政 cluster 之中，檢查的順序由編號小的 sector 開始檢查。尚未有 cluster 的 sector 會大立加入與其相鄰的 cluster，此時加入的順序以 cluster 成員較少者為優先，避免 cluster ‧ 國. 學. 的大小超過系統的預設值，當相鄰之 cluster 大小相同時，則選擇 cluster head 編. ‧. 號較小者加入。. sit. y. Nat. 以圖 3.10 為例，在編號 1、5、11、15、17 號 sector 依序形成 cluster 之後，. io. er. 剩下編號 8、19、21 號 sector 尚未屬於任何 cluster，以編號最小者開始加入與其相鄰的 cluster 之中。與編號 8 號 sector 相鄰的 cluster 有三個，分別是以編號 1、. al. n. iv n C 5、11 號 sector 為首，cluster 分別有個 sector 所組成。雖然編號 5、11 為 h e6、3、3 ngchi U 首的 cluster 同時並列與編號 8 號 sector 相鄰的最小 cluster，但是以 sector 編號來看 5 號比編號 11 號 sector 的優先權要高，因此編號 8 號 sector 加入 5 號 sector 組成的 cluster 中。同理，編號 19、21 號 sector 均加入以編號 17 為首的 cluster 中，則分組情形如圖 3.11 所示，在 top cluster head 確定所有 sector 均有所屬之叢集後，整個系統的動態 cluster 分組步驟完成，各個 sub-cluster 開始進行 CoMP 傳輸。. 43.