B3G接取網路之無線資源管理技術---子計畫III：B3G OFDM多重接收系統設計及無線資源管理(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫三:B3G OFDM 多重接收系統設計及無線資源管理

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計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2219-E-009-027- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電信工程學系 計畫主持人： 沈文和 計畫參與人員： 傅宜康, 黃聖富, 蔡政龍, 林愷昕 報告類型： 完整報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 28 日

目錄

子計劃簡介……… 3

Part I

第一章 緒論……….. 6

1-1 無線資源管理………. 7 1-2 動機與研究………. 9

第二章 系統規劃……… 10

2-1 系統規劃……….. 10 2-1-1 細胞架構……… 10 2-1-1 折疊技術………...…. 11 2-1-3 鍊路預算……… 12 2-1-4 模擬模型……….... 14

第三章 模擬程序……… 15

3-1 模擬流程………. 15 3-2 無線資源管理演算法………. 16 3-2-1 功率控制……… 16 3-2-2 換手轉換……… 19

第四章 系統資源估算……… 22

4-1 單一服務型態………. 22 4-2 多重服務型態………. 27

第五章 允入控制……… 34

5-1 簡介………. 34 5-2 允入控制演算法………. 36 5-3 模擬結果………. 39

第六章 封包排程……… 42

6-1 簡介………. 42

6-2 排程程序……….. 45 6-2-1 服務品質……… 45 6-2-2 優先權……… 47 6-2-3 分配限制……… 48 6-3 封包排程演算法………. 50 6-4 模擬結果………. 58

第七章 結論……… 67

Part II

第一章 簡介……… 68

第二章 系統架構……… 70

2-1 涵蓋區規劃………. 70 2-2 通道模型………. 73 2-3 傳送接收機架構………. 78

第三章 無線資源管理演算法……….. 80

3-1 允入控制………. 80 3-2 封包排程………. 82 3-3 適應性子載波選擇………. 86 3-3-1 回傳訊號設計………. 86 3-3-2 適應性子載波選擇………. 88

第四章 適應性資源分配演算法……….…. 89

4-1 問題分析………. 89 4-2 適應性資源分配演算法………. 91

第五章

初步結論………..….. 94

參考文獻……….. 95

子計劃簡介

隨著網際網路席捲全世界，越來越多使用者的生活已經離不開電子郵件與即 時通訊軟體等網際網路所提供的服務，無可避免的，網路已成為許多人生活中的 一部份了。然而固接式網路限制了使用者能夠上網的地點，這與人類基本的行為 模式：移動，是相違背的。因此近年來，當電腦網路的頻寬以及所提供的服務越 來越能滿足使用者的需求之後，使用者對於網路最渴望的便是：移動性。移動性 的意涵包括了兩個層面，其一是接取網路的地點不被限制，另一則在於當使用者 處在移動狀態時仍可進行網路接取的行為。此兩者不論在於服務提供的型態或是 技術上所面臨的挑戰，都是截然不同的。 近年來，無線通訊無論是在技術發現或是市場需求上都處在歷史上前所未有 的熱烈階段。然而細分之，可將技術發展的趨勢概分為兩大方向：高移動性為優 先考量或高傳輸頻寬為優先考量。其中前者的演變是由過去已相當普及的行動通 訊網路發展而來，強調支援使用者的移動性並具有廣闊的系統涵蓋範圍。但大涵 蓋範圍在傳輸通道與功率的限制下所導致的結果便是受限制的資料傳輸速率，目 前已即將商業運轉的WCDMA HSDPA [1]與 CDMA2000 1xEVDO[2]系統所能達 到的最高資料傳輸率已可達到 10Mbps，但這與目前使用者在有線網路的使用經 驗仍有一段距離，且其成本亦遠高於有線網路。而另一個技術走向最具代表性的 便是這兩年當紅的無線區域網路(Wireless LAN)，其訴求在於高資料傳輸率(可達 54Mbps)，基本上可視為有線區域網路的進階版本。但高資料傳輸率僅能在較短 的距離(約百餘公尺)以及較佳的通道環境(多路徑衰落不嚴重)中達到，且其無線 通道為眾多使用者所共享，網路品質不易控制。但大部份使用者對於此種無線網 路歡迎程度的熱烈是遠超過技術人員的預期，其主因在於與有線電腦網路相同的 使用平台與經驗，以及免費的接取費用。選擇免費的頻帶(ISM band)進行資料傳 輸是其特色與優點，但這也同時成為技術上的一項挑戰，因為非專屬的頻率通道 伴隨的是大量且無法預知的干擾，並導致網路品質的不穩定。這在家庭或辦公室 中單純被期待用來取代惱人的網路線時是可以被接受的，但若是被期待成為可靠 的商業網路時便可能會造成維運上很大的困擾。但無論如何，無線區域網路快速 且廣泛的被使用者接受已充份的反映出對無線寬頻接取的渴望，這對於無線通訊 技術進一步的發展是很大的推動力量。 由前所述可知，要同時達到高傳輸速率､大系統涵蓋範圍並支持使用者高移 動性，以目前的技術與無線網路架構是有相當困難的。系統涵蓋範圍大時，通道 效應會造成經由不同路徑所抵達的訊號之延遲擴散(delay spread)增加，使得相鄰 的訊號符元所遭受之符際干擾(Inter-Symbol-Interference, ISI)趨於嚴重。由頻域的 角度觀之，代表通道的同調頻寬(coherence bandwidth)縮小，造成訊號經過通道 後更易產生變形，也就是所謂具頻率選擇性之衰落(frequency selective fading)。 可知在長距離訊號傳輸時，通道的頻寬將會較短距離通訊時更窄，此時若增加訊

號頻寬，將會使所收到的訊號變形的程度更形嚴重，也更加難以恢復回原貌，進 而導致傳輸錯誤的機率大增。在目前第三代行動通訊系統中所採用的核心技術： 分碼接取多工(Code Division Multiple Access, CDMA)中，傳送的訊號在頻域會被 展開，而利用時域的等化器：耙狀接收機(RAKE receiver)來將通道的效應克服， 以正確的還原所傳送的資料。但此方法在訊號頻寬更大時，經展頻後的訊號勢必 更寬且受通道效應的影響更嚴重。且更大頻寬的訊號代表在時域的符元長度 (symbol length)勢必更短，代表接收端的硬體需要在更為短暫的時間內處理大量 的運算，這些都使頻寬增加所需耗費的代價居高不下。

正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術近年 來被世界各地的研究人員熱烈的討論並研究著，並被認為是在無線通訊中達成寬 頻傳輸最適合的解決方法。其關鍵處在於該技術得以將寬頻訊號順利地傳輸經過 複雜的多路徑通道，並使接收端較容易將正確的訊號解出。其觀念上的特殊之處 在於避免傳送單一寬頻的訊號進入通道，改以多個窄頻的訊號化整為零地送出通 道，在接收端再將多個窄頻的訊號重新組合成原本高速的資料流(data stream)。 其中每個窄頻的訊號頻寬皆小於通道的同調頻寬，因此訊號可順利通過通道而未 遭受嚴重的變形，故接收端不需再費精神去克服通道的效應，僅需將散於各子載 波(sub-carriers)上的訊號透過快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)還原回 來便可。由於通道效應涉及大自然的地形地物，不是人們可輕易改變的，因此在 訊號設計時選擇避開可預見的通道衰落確實為一明知的抉擇。藉由 OFDM 技術 可透過子載波數量的增加達成傳輸速率的上升，而不需面對更嚴重的通道衰落現 象，故此技術被視為是達成無線寬頻傳輸最適合的技術。 然而，對於大涵蓋範圍的通訊系統而言，多重接取技術的選擇將會影響到系 統整體效能的表現。此原因在於自然界的頻譜資源是非常有限且昂貴的，如何讓 有限的頻譜資源能提供更多的使用者以及更高的資料傳輸流量(throughput)，對於 系統營運業者而言將會是直接衝擊營收的重要關鍵。一般人僅注意到某項技術所 能達到的最高傳輸速率(peak rate)，但往往卻忽略掉當眾多使用者同時使用無線 網路時，平均的使用流量才是反映使用者所獲得資訊量高低的指標。由此觀之， 如802.11 系統所使用以競爭為基礎(contention based)的多重接取技術必然會造成 資源的浪費，並不適合廣域無線網路使用。而前所述CDMA 系統中所使用的展 頻技術雖然不利於高傳輸速率的達成，但是以CDMA 為基礎的系統具備多項非

常吸引人的優點：單一的頻率使用(universal frequency reuse)､系統容量僅受限於 干擾強度(interference limited capacity)､具備消除干擾訊號的能力(interference rejection capability)以及軟式換手(soft handoff feature)。因此將 OFDM 與 CDMA 技術相互結合並各取其優點，便可透過OFDM 技術達成高傳輸速率，透過 CDMA 技術達成優異的無線網路管理效能，以充分發揮無線資源(radio resource)的使用 效率。而同時結合OFDM 與 CDMA 的 OFDM/CDMA 系統亦被視為是未來廣域 無線寬頻網路最有潛力的技術候選。

中最重要的便是PAPR(Peak to Average Power Ration)過高的問題，若是在訊號處 理時未針對此點進行考慮，便須將傳收接收端之功率放大器(power amplifier)的工 作點(operation point)向後退縮(back off)，否則放大器飽和(saturate)可能造成訊號 被截斷，且對OFDM 極為重要的線性度(linearity)亦會受影響[3]。此現像在子載 波數量越高時便會越嚴重，需透過一些方法來降低訊號的PAPR，這將會使電路 設計較為複雜。從另一個角度來看，使用者對於資料下載(downlink)傳輸速率的 要求是高於上傳(uplink)速率的要求，因此目前已有研究所考慮的系統架構將基 地台所使用的子載波數量提高以支援較高速的資料傳輸，同時配合較複雜且昂貴 的訊號處理技術以克服PAPR 上升的問題。而由於對上傳資料傳輸速率要求並不 那麼高，因此便可直接使用單載波的技術以避免PAPR 上升的問題，以期降低手 機的複雜度以及成本[4]。由此觀之，單載波的 CDMA 技術在資料上傳時所能提 供的傳輸速率以足夠，便不需再額外採用 OFDM 技術造成複雜度上升，而僅需 根據現有的CDMA 技術進行改善便足以因應未來的需求。 本篇報告分為兩個部份，第一部份針對CDMA Uplink 的傳輸進行改善，提 出一套新式的封包排程演算法可大幅的增進系統整體流量，同時達成服務品質 (Quality of Service)保證的目標。此部份亦為 3GPP[1]與 3GPP2[2]等標準制定組織 正熱烈討論的議題，目標在不修改CDMA Uplink 實體層設計的前題下，僅藉由 通 訊 協 定(protocol) 的 修 改 來 達 成 系 統 效 能 提 升 的 目 的 。 第 二 部 份 則 針 對 OFDM/CDMA Downlink 系統傳輸提出一套適應性資源分配(resource allocation) 演算法，以達成系統流量的最佳化(optimization)。並結合允入控制(admission)與 封包排程(packet scheduling)，提出一套適用於 OFDM/CDMA 系統的運作架構。 本研究第一部份的成果乃是藉由總計劃第一年度所完成的系統模擬平台完成演 算法效能驗證，並已於2004 年 3 月份于國際會議中發表[5]，屬於第一年度研究 成果的延續。而第二部份屬於前瞻性之研究，目前國內外皆無相同的研究成果被 發表，而此研究過程所開發的理論根據除了做為總計劃在本年度與下年度平台開 發的參考之外，亦將成為下年度本計劃開發OFDM/CDMA 系統完整運作機制的 重要依據，屬於系統開發的先期研究。

Part I

適用於 CDMA Uplink 之創新負載

式封包排程演算法

第一章 簡介

在行動通訊系統的演進上，第一代行動通訊系統為類比蜂巢式系統（Analog Cellular Systems），而目前使用中的數位（Digital）系統，如：GSM, cdmaOne （IS-95） 和 US-TDMA 為第二代行動通訊系統。這些系統主要提供語音（Voice） 通訊的功能，但隨著影像傳輸與資料擷取技術的成熟，加上使用者對於其他服務 的需求如：多媒體簡訊服務（Multimedia Massage Service, MMS），視訊（Vedio） 和網路資料的擷取等，加速下一代行動通訊系統的發展。

有 別 於 之 前 的 行 動 通 訊 系 統 ， 第 三 代 行 動 通 訊 系 統 （ 3G Mobile Communication Systems）在應用服務層面之特色在於可以提供傳輸資料速率 （Data Rate）高達 2Mbps 的數據服務，且可以動態（Dynamic）根據使用者的需 求調整資料傳輸速率。此外，3G 系統可支援多種不同服務型態，包括了傳統的 語音服務、數據資料與串流式影音傳送等。為了同時支援系統中各種不同型態的 服務，需採用更為先進的無線資源管理（Radio Resource Management）技術，在 確保各項服務品質（Quality of Service, QoS）的前提下，將有限的系統資源做最 有效率的運用[6]。此外，系統允許同一連線之上鍊與下鍊資料流量不對稱，此 現象在使用數據傳輸服務時格外的明顯，因此系統需透過有效的無線資源管理技 術才能避免資源使用效率在此種情況下惡化。3G 系統可同時支援電路交換 （Circuit-Switched）與封包交換（Packet-Switched）兩種模式，電路交換模式主 要提供語音以及串流式動態影像，可充分獲得系統資源的保證；而封包交換模式 則運用在非即時性的數據資料傳送，系統可根據負載狀態與服務品質需求動態安 排這些封包資料的傳送時程[7]。本研究之主題著重在，一、如何評估提供多重 服務（Multiple Service）下的系統資源；二、設計有效的封包排程（Packet Scheduling）演算法。本研究是架構在第一年度總計劃所完成之 WCDMA 無線 資源管理模擬平台上與整體資源管理演算法結合進行研究。本文在各章節說明 為：第二章將說明系統初步建構的規劃與模擬時各種通道模型及使用者行為模

式，第三章將分別描述平台整體模擬的流程與平台中已建構的無線資源管理演算 法，第四章則理論推導 WCDMA 系統從單一服務型態至多重服務型態，系統資 源與負載的估算，第五章將說明允入控制的整理與演算法，第六章則會提出我們 所設計的封包排程演算法，最後在第七章將對全文作總結。 本章接著將針對無線資源管理在 WCDMA 系統中的重要性與探討封包排程 之動機及研究方向，做進一步的說明與介紹。

1-1 無線資源管理

首先，我們的研究是建構在 WCDMA 規格中 Universal Terrestrial Radio Access（UTRA）之 FDD 模式系統下，其重要的特徵為：

λ 多重接取技術為直接序列分碼多工接取（Direct-Sequence Code Division Multiple Access）技術

λ 提供可變動資料傳輸速率（Variable Bit Rate, VBR）

λ 展頻碼產生率（Chip Rate）為 3.84Mcps，載波空間（Frequency Space） 5MHz

λ 訊框長度為10ms

λ 雙工模式為分頻雙工（Frequency Division Duplex）

λ 提供不同服務品質要求的多重型態服務（Multiple Service）

λ 利用無線資源管理來控制服務品質

λ 提供上鍊傳輸（Uplink）與下鍊傳輸（Downlink），本研究著重於上鍊 傳輸

Power

= Codes with different spreading

Time Frequency 4.4~5.0 MHz 10 ms 圖1.1.1 WCDMA 系統在時間-頻率-編碼空間的頻寬分佈 在WCDMA-FDD 系統中，採用分碼多工的傳輸技術，這種技術允許系統可 以在同一個頻帶上，讓多位不同使用者的資料同時傳送，因此，每位使用者的訊 號功率皆是構成其他使用者干擾的因素。換言之，系統的容量會受限於系統所能 承受的最大干擾（Interference）功率，當干擾功率高到會影響現有使用者服務品 質時，系統便需要做出適當的控制以維持服務品質。系統容量取決於系統所能承 受的最大干擾功率是CDMA 系統之一大特色，隨著系統中使用者的行為模式與 所處環境的不同，所消耗的系統資源亦不相同。因此如何有效的利用系統中珍貴 的無線資源以提供更大的系統容量，一直是非常重要的研究方向。 在行動通訊系統中，無線資源管理所提供的主要功能在於提高系統資源的使 用效率，在保證系統服務品質的前提下，透過各種演算法有效利用系統資源 。 在Universal Mobile Telecommunication System （UMTS）系統規格[8]中對無線資 源管理演算法的分類有：換手轉換（Handover）目的在於確保使用者在移動過程 中的服務品質，並藉由選擇品質較佳的連線來降低使用者平均的訊號發射功率來 增進系統容量。而功率控制（Power Control）則負責維持使用者發射訊號的功率 恰好能滿足接收端要求的訊號品質，如此可避免系統中的遠近效應（Near-Far Effect），並有效降低系統中的干擾功率。當系統的資源不足時，會透過允入控制 （Admission Control）來限制新使用者進入系統以免影響既有使用者的服務品 質，另外，系統也會藉由封包排程（Packet Scheduling）依系統當時資源負載的 狀況，動態安排封包資料服務使用者適當的傳送時間與傳送時所使用的資料傳輸 速率。藉由完善地設計無線資源管理演算法，並依據系統不同的情況進行參數的 最佳化，將可有效的增進系統資源的使用效率、達到服務品質與增加系統運輸量 （Throughput）。 事實上，在未來以封包交換模式為主的網路中，需確保服務品質的相關資

訊，所以在這個前提下，提供對封包資料選擇或排程的方法對未來系統而言亦是 一個重要的議題[9]，也是本篇研究研究的重點。在無線環境中，有關資源管理 的文章有：Nafhshineh and Acampora[10][11]介紹在不同服務型態與不同服務品質 要求下，分享系統資源的方案；Das et al.[12] 對允入控制與頻寬保留做相關的介 紹；Nokia Research Center[13]則針對第三代無線系統在資源管理與服務品質上做 整體性的介紹，還有其他對資源管理在未來通訊系統與3G 系統的說明[47-49]等。

1-2 動機與研究

在無線資源管理方法中允入控制可以藉由同意新使用者進入系統與否，達到 對 WCDMA 系統有限資源的控制。但是針對使用可變動性傳輸資料速率的封包 資料而言，當使用者需要較高的資料傳輸速率時，若未即時評估系統負載並進行 控制而傳輸資料，可能會因為系統資源過載（Overload）而使資料遺失，或因高 傳輸資料速率需要高傳輸功率而造成其他使用者的干擾功率上升，使得其他使用 者的資料遺失，兩者皆會增加訊框遺失率（Frame Loss Rate）。當錯誤產生時， 無線連結控制（Radio Link Control, RLC）會啟動偵測與重傳（Retransmission） 的機制，將會造成封包延遲（Packet Delay）的問題。另外，因為封包資料的流 量型態統計上會有脈衝性流量（Bursty Traffic）的特性，即一段時間就會有大量 的封包資料需要傳送，若不控制，會造成許多資料的遺失與傳送延遲的問題，並 且因為有時大量傳送資料，有時不傳送資料的情況下會使系統資源的利用率下 降，且降低系統運輸量。因此在封包資料傳輸中，如何依當時系統負載狀況與使 用者本身的需求，安排其傳送資料的時間與傳送資料時所需的傳輸速率，以降低 訊框遺失率、封包延遲及增加系統運輸量，將是管理無線資源一項重要的技術， 這項技術稱為封包排程，所以本研究將針對這個領域提出研究結果。 本研究著重於設計演算法時與實際系統的規劃結合，並考慮其他無線資源管 理演算法的效應如功率控制的敏感度等，在達到最佳的資源分配流程下減低演算 法的複雜度；並利用無線資源管理模擬平台所架構接近實際的無線環境及與其他 無 線 資 源 管 理 演 算 法 一 起 運 作 的 前 提 下 進 行 模 擬 並 探 討 演 算 法 的 效 能 （Performance）。最後我們設計了得以降低訊框遺失率與平均封包延遲，並增加 系統運輸量的封包排程演算法，詳細內容將逐章說明。

第二章 系統規劃與模擬模型

本研究所參考的系統是基於 UMTS 規格書之 WCDMA 系統，並在 WCDMA 無線資源管理模擬平台上進行研究。因此本章將會對系統規劃時的環境架構以及 建構時的各項環境參數，與進行模擬時的環境模型與使用者行為模型做進一步的 說明[3]。

2-1 系統規劃

依據規格書與相關的研究，我們對系統環境做出合理的規劃，並利用摺疊 （Wrap Around）技術使環境符合實際狀況，取得有效的統計資料。本節接下來 將就主要的規劃資訊提出說明。

2-1-1 細胞架構

首先，在本小節我們將說明細胞架構的組成。依據 WCDMA 的特性每位使 用者使用相同的頻帶（Frequency Band），系統的頻率重複使用因數（Frequency Reuse Factor）等於 1，所以每個人的信號功率對其他人而言都是構成干擾 （Interference）的成分，再根據 Miller 和 Lee 的分析[14]，在 CDMA 系統中考慮 每個細胞的大小以及負載（Loading）都相同時，對於某個細胞中的使用者而言， 來自於其他細胞的干擾功率可達到來自相同細胞干擾功率的33%。由此可知，在 模擬的時候必須將其他細胞干擾的效果考慮進去。Miller 和 Lee 同時也提到，當 考慮兩個干擾層（Tiers）的其他細胞干擾時，便已經相當接近考慮無限個干擾層 的情況，因此在兼顧模擬的準確性以及所需消耗的運算量，我們決定考慮兩個干 擾層細胞。而每個細胞的涵蓋範圍（Coverage）都用一個六角形來近似，我們總 共考慮19 個細胞的模擬環境，其配置如圖 2.1.1 所示。至於每個細胞所涵蓋的範 圍則是以鍊路預算（Link Budget）規劃的結果為參考依據，在下一小節的內容中 將會詳細說明鍊路預算的使用方式。

16

6

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圖2.1.1 細胞架構與細胞間相對位置關係

2-1-2 摺疊（Wrap Around）技術

由前小節所示的細胞架構中，可看到只有正中間的細胞是完整被兩個干擾層 的其他細胞所包圍，其他任一個細胞向外看皆無法看到對稱的兩個干擾層。也因 此造成程式總共模擬了19 個細胞，卻只有正中間細胞的統計值可以被參考。因 此我們將採用產生摺疊效果的技術，使得從任一個細胞向外看，皆可以看到完整 的兩個干擾層。此技術的關鍵在於將已模擬但卻在參考細胞兩個干擾層之外的細 胞，複製其所有的內容至參考細胞向外兩個干擾層空缺的部份。又因每個細胞只 考慮兩個干擾層的其他細胞干擾，在經過妥善的排列後，即可產生每個細胞向外 都可以看到兩個干擾層的細胞，而且沒有一個細胞的內容是重複的。如此一來， 所有19 個細胞中的每個使用者在計算其他細胞干擾時都能完整的計算到兩個干 擾層所造成干擾，如此19 個細胞的統計值都可以被參考。此效果的實現方法可 參考[3]。經過摺疊技術以後所呈現各細胞排列的效果如圖 2.1.2 所示，其中加黑 粗框的範圍是未使用摺疊技術時等效之系統模擬範圍，而六角形中的數字代表基 地台的編號：

16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 16 6 5 17 0 1 18 7 2 9 8 4 3 10 13 12 15 14 11 圖2.1.2 使用摺疊技術後等效的系統模擬環境

2-1-3 鍊路預算（Link Budget）

在初步建構系統時，我們必須規劃每個細胞所涵蓋範圍，而這個工作可以透 過鍊路預算（Link Budget）來進行。從鍊路預算中我們可以知道通訊局部端 （Communication Terminals）的物理限制與系統容量的上限等現象，可作為設計 無線資源管理演算法時的重要依據。表2.1.1是一個鍊路預算的範例。 表2.1.1所列的鍊路預算範例，其考慮的情況是使用者在移動速度為3 km/hr 且使用數據服務（Data Service），資料傳輸速率為 384 kbps，並考慮接收機 （Receiver）的頻寬為 5MHz，且環境溫度在 293K（20°C）。此鍊路預算所列出 的各種參數與建議的設定值可以在H. Holma的著作[15]中找到更進一步的說明。 在鍊路預算中的每一個參數都具有其物理意義，也反映出實際系統中的環境

變因。而各項參數的意義可參閱第一年度總計劃之報告書[3]。

Transmitter(mobile)

Max. mobile transmission[dBm] 24 a

Mobile antenna gain[dBi] 2 b

Body loss[dB] 0 c

Equivalent Isotropic Radiated Power[dBm] 26 d=a+b-c

Receiver(base station)

Thermal noise density[dBm/Hz] -174 e

Base station receiver noise figure[dB] 5 f

Receiver noise density[dBm/Hz] -169 g=e+f

Receiver noise power[dBm] -103.2 h=g+10*log10(3840000)

Interference margin[dB] 3 i=max. planned noise rise

Total thermal noise+ interference power[dBm] -100.2 j=h+i

Processing gain[dB] 10 k=10*log10(3840/384)

Required Eb/No[dB] 1.0 l

Receiver sensitivity[dBm] -109.2 m=l-k+j

Base station antenna gain[dBi] 18 n

Cable loss in the base station[dB] 2 o

Fast fading margin[dB] 4 p

Max. allowable propagation loss[dB] 147.2 q=d-m+n-o-p

Coverage probability[%] 95

Log normal fading margin[dB] 7.3 r

Soft handover gain[dB],multi-cell 0 s

In-door loss[dB] 0 t

Allowed path loss for cell range[dB] 139.9 u=q-r+s-t

表2.1.1 鍊路預算範例

最後獲得的最大路徑損失值主要與使用者和基地台間的距離有關，因此透過 該值並配合適當的路徑損失模型，我們便可規劃出這個基地台在滿足各種條件情 況下的有效涵蓋半徑。整體系統規劃的流程如圖2.1.3。

Propagation Model (Environment) Mapping dB to km Maximum Allowed Path Loss for Cell

Range[dB]

Maximum Cell Range [km] Required Coverage

Probability Base Station Design

Parameter Power Control Headroom Receiver Sensitivity Mobile Transmission Power Interference Margin Service Requirement 0 b E I Bit Rate

Processing Gain _{Multipath; Antenna}Diversity; Uplink capacity 圖2.1.3 整體系統規劃的流程

2-1-4 模擬模型

本研究所採行之系統模型皆依據第一年度總計劃所提模擬平台之設計[3]， 故在此便不再贅述。

第三章 模擬程序

本章節第一部份將說明模擬平台上進行模擬時的流程與各個運作方程式的 功能及原理，第二部份則說明模擬平台中已建立之無線資源管理演算法中的功率 控制與換手轉換。

3-1 模擬流程

在模擬進行時，驅動的程序採用了兩種方式。第一種是事件驅動（Event Driven），第二種則是時間驅動（Time Driven）[23]。以事件驅動的方式來進行系 統模擬者為所需要模擬的變數並無週期性的變化，僅在事件發生時處理的功能才 會啟動，可節省系統模擬耗費的時間。而以時間驅動的方式進行系統模擬者，主 要是針對系統中週期性變化的變數。透過時間驅動方式以定期去執行某些功能或 是調整系統中某些變數，如環境變數相關參數的更新功能。這些功能週期性的更 新跟環境相關的參數，以反應出系統隨著時間改變所相對應的環境變化。 我們 以圖3.1.1來說明整個系統模擬時流程的概念： Time (s) System Initialization t=0 Call Departure

New Call Arrival

Shadow Fading

Update _{Traffic update}

圖3.1.1 系統模擬流程示意圖

在圖3.1.1 中上半部所描述的是非週期性發生的事件，這些事件在程式中相 對應的動作會以事件驅動(Event Driven)的方式處理。而在圖3.1.1下半部所描述 的是週期性發生的事件，因此相對功能的運作以時間驅動(Time Driven)的方式處 理。但同樣是時間驅動的事件，根據其特性的不同，每個事件都有其各自發生的

週期，以增加系統運作的效率。

3-2 無線資源管理演算法

回顧第一章所提 WCDMA 系統的資源主要受限於干擾功率，因此系統必須 透過一些有效的無線資源管理演算法使得系統能將有限的資源做最佳的運用，同 時仍確保各使用者的連線品質。該 WCDMA 無線資源管理平台建構了基本的無 線資源管理演算法，包含功率控制，換手轉換與允入控制，使得欲探討其他新演 算法的優劣時，得以將這些演算法的效應呈現出來，使研究的結果更具參考價 值，亦是本研究的特點之一。本章將針對模擬平台所採用之無線資源管理演算法 中的功率控制與換手轉換進行介紹與說明，允入控制將於第五章再做詳細說明。

3-2-1 功率控制

此機制的功能是在滿足使用者訊號品質的前提之下，將使用者發射的訊號功 率降至最低，以減輕每位使用者造成其他使用者干擾的影響並克服遠近效應

(Near-Far Effect)[24]。換言之，由於分碼多工接取（CDMA）的系統其系統容量 會受限於干擾功率，若在滿足訊號品質的前提下能有效降低使用者的傳輸功率， 將使系統所受的干擾減少，整體而言會使系統資源的使用效率增加，因此功率控 制對於 WCDMA系統是非常重要的演算法。相關原因在 Viterbi的著作[25]中有 詳細的說明。另一個使用功率控制所帶來的好處是由於使用者在滿足服務品質要 求下僅需以最小的傳送功率傳送資料，所以可以有效的延長電池的電力。有關功 率控制的分類與研究可參考Novakovic發表的文章[26] 中有詳盡的說明。 在本研究中以實際用的功率控制演算法進行模擬，該演算法是以訊號干擾比 (SIR)為基礎的功率控制。對於上鍊通道(Uplink)而言其原理為基地台根據收到每 位使用者的信號功率估算出訊號干擾比，將其與系統所要求的服務品質比較，如 果量測到的訊號干擾比高於服務品質的要求時，基地台就下指令要求使用者降低 傳輸功率，反之則升高傳輸功率，如圖3.2.1。

圖3.2.1 以訊號干擾比為基礎之功率控制系統示意圖

圖3.2.2所示為模擬平台所提供之功率控制演算法的流程圖 [27] ，在UMTS

System Initial Monitor

Determine Total Received Power of

Each Base Station

Determine the SIR of User k to be SIR_k

SIR_k> Target SIR ?

P_k += PC step size P_k -= PC step size

P_k> Maximum Transmit Power ? Set P_k = Maximun Transmit Power k = M ? k = 1 k = k + 1 No Yes

Next Time Slot

Yes

No

Yes No

3-2-2 換手轉換

換手轉換在行動通訊系統中是為了使用者在不同基地台所涵蓋之區域間移 動時，得以將使用者的服務適當地轉移到訊號品質較佳的基地台，如此可以降低 使用者所需傳送的訊號功率以及維持使用者在行進間有一定的訊號品質。模擬平 台上支援的是軟式(Soft)換手轉換，所謂軟式換手轉換是允許使用者在邊界範圍 時，得以同時與一個以上的基地台建立連線，使用者的連線訊號在切換過程中是 先選擇訊號品質較佳的連線維持通話後，再中斷訊號品質較差的連線，這會讓使 用者在通話過程中不會有中斷的感覺。系統運作如圖3.2.3。 圖3.2.3 軟式換手轉換系統示意圖 軟式換手轉換的優點一則在於不需中斷使用者通話而完成轉換，二則不增加 射頻設備的情況之下實現軟式換手的技術，因為在 WCDMA 系統中每位使用者 都使用相同的頻帶，三則藉由適當的轉換可降低使用者的傳輸功率，增加系統資 源的效率。不過軟式換手轉換在系統設計切換的門檻時需增加一個遲滯值 （Hysteresis）來避免乒乓效應（Ping-Pong Effect）。有關換手轉換演算法的介紹 與原理說明在Wong所發表的文章[28]中有詳盡的說明。而模擬平台中所提供的 換手演算法參考3GPP 的規格書[27]所設計。其中有一些設計軟式換手技術時重 要的參數[3]:

λ Handoff Rate

系統偵測訊號連線品質的頻率。該參數與系統中使用者移動速度有關。

λ Active Set Size

同時與使用者建立連線的基地台數量。 λ Add Threshold 建立與新基地台連線之門檻值。 λ Drop Threshold 中斷原本已建立的連線之門檻值。 λ Replace Threshold 將已建立之連線中品質最差者與還沒建立之連線中品質最佳者替換之門檻 值。 模擬平台所提供的軟式換手的流程如圖3.2.4所示。

Initial Parameter Setup Signal Strength Estimated

Meas_Sign > Best_Ss -As_Th-as_Th_Hyst for a period of ΔT ? Meas_Sign > Best_Ss -As_Th+as_Th_Hyst for a period of ΔT ? Best_Cand Ss > Worst_Old_Ss +As_Rep_Hyst for a period of ΔT ? Active Set Full ?

Remove Worst_Bs in the Active Set

Add Best_Bs in the Active Set

Add Best BS in Active Set and Remove Worst BS form the

Active Set No (Event 1B) Yes (Event 1A) Yes (Event 1C) Yes No No Yes No 圖3.2.4 軟式換手轉換演算法流程圖

Pilot Ec/Io of cell 1

Pilot Ec/Io of cell 2

Pilot Ec/Io of cell 3

ΔT ΔT ΔT Event 1A = add cell2 Event 1C = replace cell1 with cell3 Event 1B = remove cell3

Connected to cell1 Connected

to cell1 Soft handover First

with cells 1 and 2, and then with 2 and 3 AS_Th-AS_Th_Hyst AS_Rep_Hyst AS_Th+AS_Rep_Hyst 圖3.2.5軟式換手轉換演算法運作範例 圖3.2.5 為相對應之發生事件及條件對照關係圖，如此可更明白演算法的運 作。其中的相關參數說明如下：

AS_Th

：

Threshold for macro diversity AS_Th_Hyst

：

Hysteresis for the above threshold AS_Rep_Hyst

：

Replacement Hysteresis

△T

：

Time to Trigger

第四章 系統資源估算

通訊系統的系統資源可區分為兩大類，一為窄頻通訊系統（Narrowband Communication Systems）如分頻多工接取(FDMA)與分時多工接取(TDMA)系統 等，其系統資源受限於最大可利用的通道個數如頻帶（Frequency Band）或時槽 （Time Slot），每位使用者都會使用特定的頻帶或時槽，一旦同一區域的使用者 人數超過所能提供的頻帶或時槽數目，就會造成系統無法提供服務，代表使用者 的 人 數 受 限 於 目 前 可 用 的 通 道 個 數 ； 二 為 寬 頻 通 訊 系 統 （Wideband Communication Systems）如分碼多工接取（CDMA）系統，該系統使用展頻碼 （Spreading Codes）的傳輸技術，這種技術允許系統可以在同一個頻帶上，讓多 位不同使用者的資料同時傳送，所以通道個數不再是評估該系統資源的依據，而 是系統所能承受的干擾功率。換言之，以分碼多工接取（CDMA）做為接取技術 的系統其特色為系統容量並非固定，而是受限於整體系統所遭受之干擾功率。在 承受相同干擾功率的情況之下，系統所承載的資料流量隨著系統狀態不同亦會有 所不同，一般稱此為WCDMA系統的軟式容量（Soft Capacity）特性。由此可知

WCDMA 系統中的資源耗用程度並不單與使用者數量成正比，而是依據當時系

統所遭受的干擾功率而定。因此，如何正確的估算系統資源，以使允入控制及封 包排程等資源管理演算法能正確地運作，是進行相關研究時的首要課題。在4-1

節中我們推演了WCDMA 系統在提供單一服務（Single Service）型態下系統資 源與負載估算的依據，藉由理論推導的結果，做為系統模擬時對於系統資源估算 的依據。 有別於傳統的行動通訊系統只提供語音服務，WCDMA 系統提供了多重層 級（Multi-class）與不同資料傳輸速率的服務，包括即時性（Real-Time）資料傳 輸，如語音與即時影像與非即時性（Non-Real-Time）資料傳輸，如網路瀏覽（Web browsing）與電子郵件（E-mail）等服務。有別於以往單一服務型態，在多重服 務（Multiple Service）型態下如何去估算系統資源，是一件困難的事情。在 4-2 節中，我們由理論推導出在系統同時提供多重服務型態時，系統負載所呈現的形 式，並證明仍可藉相同的表示方法來呈現多重服務型態時的系統資源。

4-1 單一服務型態

下面的推導是考慮系統中只有一種服務型態，如語音服務，因此每位使用者 所要求服務品質-訊號干擾比（Signal to Interference Ratio , SIR）相同，並假設在 理想功率控制（Perfect Power Control）的情況下，所以每位使用者貢獻至連結基

(

E Ib 0

)

v 地台的訊號功率亦相同。在這樣的條件下，系統資源使用的情況可以當時候使用 者的人數來表示，而系統資源的上限即為該系統同時可服務人數的最大值，所以 我們將系統的負載定義為： max

=

M

LF

M

(4.1)

LF

: 細胞負載 M : 使用中的使用者數目 max M : 允許使用的最大使用者數目 在 WCDMA 系統中，使用者人數與系統中的干擾功率呈現某種關聯性。在 理想功率控制的情況下，我們可由訊號干擾比推導出系統中使用者的數目與其上 限，並進而推算出細胞負載與干擾功率間的關係。 首先，在上述的假設下，每位使用者到其提供服務之基地台的功率，S ，而 使用者訊號在基地台所呈現的訊號干擾比為，

ρ

_v：

1

b v o _v v total

E

I

SF

S

I

S

ρ

=



_



_

⋅





=

−

2 1, C z z z n

S

M S

I

S

σ

= ≠

=

+

⋅ +

∑

−

(4.2) 相關參數定義： 其中 v ρ ：使用語音服務所需之訊號干擾比值

：位元能量與干擾密度比值（Bit Energy to Interference Density Ratio），下標v代表使用語音服務

SFv ：語音服務所需的展頻係數（Spreading Factor），而展頻係數與

展頻碼產生率（Chip Rate ,W）及資料傳輸速率（Data Rate, R）

的關係為SF W R= ，語音服務的資料傳輸速率為12.2 kbps

z I ： 其他第z 個細胞（Other Cell）造成的干擾功率 total I ： 系統所受總功率(包含熱雜訊) 2 σ ： 熱雜訊功率（平均值） M ： 該基地台使用中的使用者數目 C ： 所考慮的基地台數目 另外，我們先探討本身細胞中使用者訊號功率與其他細胞中使用者所造成之 干擾功率的關係，將兩者的比值定義為其他細胞干擾因數（Other-Cell-Interference Factor）, i ：

i

=

其他細胞造成的干擾功率

本身細胞收到的使用者功率

由(4.2)可知 1, C z z z n

I

i

M S

= ≠

=

⋅

∑

(4.3) 依據(4.2)、(4.3)我們可推導出本身細胞使用中的使用者人數，M ，如下：

( )

2

₁

v

S

i M S S

ρ

σ

=

+ + ⋅ ⋅ −

2

1

1

1

1

_v

M

i

S

σ

ρ





=

_

+

−

_

+

_

_

(4.4) 其中(4.4)式代表系統中可同時服務的使用者數目與訊號及干擾功率之間的 關係。由(4.4)式中可看出當熱雜訊功率降至零或者是先不考慮傳送端對於訊號功 率的限制，即當訊號功率，S，增加到無限大，系統容量終將趨近於一極限值， 此即WCDMA系統的最大容量（Pole Capacity）。由此亦可印證WCDMA系統的 確是一個受限於干擾功率（Interference Limited）的系統。換言之，在系統實際 運作時，熱雜訊的功率越高將會使系統的有效容量降低；系統可容許的訊號功率 越高，代表系統的有效容量越高。由上推論，系統同時所能服務的使用者數目上 限，M_max，為：

max 0

1

1

|

1

1

or S _v

M

M

i

σ→

_ρ

→∞





=

=

_

+

_

+

_

_

(4.5) 再由(4.1)式對於負載的定義，配合(4.4)及(4.5)式可得到下列結果： max 2

1

1

1

1

1

1

1

1

v v

M

LF

M

i

S

i

σ

ρ

ρ

=





+

−





+

_

_

=





+





+

_

_

( )

( )

2 2

1

1

1

1

M

M

S

i

M

i S

M

i S

σ

σ

=

+

⋅

+

+ ⋅

=

+

+ ⋅

2

total total

I

I

σ

−

=

因此負載係數（Loading Factor）可被定義為： 2 total total

I

LF

I

σ

−

=

_(4.6) 從(4.6)式中可觀察到因為Itotal為基地台收到所有使用者訊號功率（本身細胞 與其他細胞）加上熱雜訊功率，所以當基地台收到所有使用者訊號功率遠大於熱 雜訊功率時，負載係數將趨近於1；反之，當當基地台收到所有使用者訊號功率 很小時，負載係數將趨近於 0，即負載係數介於 0∼1 之間。其意義為當負載係 數越接近1時，表示系統將接近滿載，達到可容許的干擾功率上限，無法再容許 過多的使用者進入系統否則將影響現有使用者的服務品質，甚至造成斷線

（Dropping）的情況，反之，系統有多餘的容量可提供服務。

由另一角度觀察時，當系統使用者增加時會造成干擾功率上升，等效上如 同總雜訊功率上升一般，故定義一參數為NR 值（Noise Rise Value），如下：

2 total

I

NR

σ

=

(4.7) 其中 _σ2 ： 熱雜訊功率 Itotal ： 系統所受總功率(包含熱雜訊) 將(4.6)式代入(4.7)式可推導NR 值與負載係數的關係，參數關係如圖4.1.1：

(

2

)

2

1

1

1

1

total total total total total

I

NR

I

I

I

I

LF

σ

σ

=

−

−

=

−

−

=

−

結合系統規劃的角度我們可以觀察到，2-1-3 節中提出規劃系統時所用的鍊 路預算（Link Budget）其目的在於規劃系統所欲涵蓋範圍內，使用者欲達到所需 的服務品質下可容許的最大傳遞損失，其中有一參數為Interference Margin是用 來規劃在該條件下系統所容許最大的干擾功率，其關係為基地台收到總功率（所 有使用者訊號功率加上熱雜訊功率）與熱雜訊功率的比值，亦視為系統規劃最大 的NR 值，我們將以 NRmax來代表該值。 所以，我們以 NR 值作為系統資源評估的依據，而其表達的意義在於當 NR 值上升時表示系統所受干擾功率增加，在原來系統涵蓋範圍內邊緣部分的使用者 在使用最大功率傳送下亦不能達到基本的服務要求，等同於系統可提供服務的區 域範圍減少，所以，我們可藉由每隔一段時間偵測系統的NR 值，利用該參數動 態調整系統資源使用的狀況來滿足系統原先的規劃及使用者行為的安排。

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 NR (dB) L o a din g F a ct or 圖4.1.1 負載係數(%)與雜訊上升指數(dB)關係

4-2 多重服務型態

WCDMA 系統中提供了多種不同的資料傳輸型態以滿足不同服務的需求， 包含了語音服務與即時/非即時性的數據傳輸，而每種服務所產生的資料流量特 性以及對於服務品質（QoS, Quality of Service）的要求亦不相同。藉由無線資源 管理演算法以滿足各種不同的服務品質需求之前，我們必須先瞭解在多重服務型 態同時存在的情況下，該如何去衡量系統的資源。本節將說明我們推導的結果。 所謂多重型態服務即系統提供不同資料傳輸速率（Data Rate）與不同服務種 類（Service Class）的服務。當傳輸資料速率不同時會造成傳送訊號時所使用的 展頻增益（Process Gain）不同；當服務種類不同或相同服務種類使用不同資料 傳輸速率時，所需要的連線訊號品質往往不同，而此訊號品質的依據便是在接收 端 所 收 到 的 每 個 資 料 位 元 中 的E I 。基於不同 的資料傳輸速率與不 同的b 0 0 b E I ，在理想功率控制下，使用者於接收端所貢獻的功率亦不相同，所以系統 資源不能如同提供單一服務型態時一樣以使用者人數來衡量系統資源，因此，我

, m l s , m l ρ

(

E Ib 0

)

m l, 們以類似於前一節分析的基礎，但不同的觀點進行當系統提供多重服務型態時系 統資源的估算。首先，我們從各級資料傳輸速率與服務種類所組成的多重服務型 態中，選擇一種服務型態如語音服務（資料傳輸速率：12.2kbps ; E Ib 0 : 5dB） 當成參考用的基本服務（Basic Service），並在考慮理想功率控制的情況下，將其 滿足訊號在接收端所需的訊號干擾比（SIR）時，貢獻於接收端的功率定義為基 本功率單位（Power Unit），我們利用該功率單位去量化不同服務型態下使用者貢 獻於基地台的訊號功率。換言之，由於不同的服務型態所需的訊號品質不同，在 滿足不同服務型態所需的訊號干擾比下量化該服務所造成的訊號功率等於幾份 基本服務所造成的訊號功率，即將在單一服務型態時以使用者人數作為相對系統 資源消耗的基礎，轉化為在多重服務型態下以基本功率倍數衡量不同服務所造成 之訊號功率為相對系統資源消耗的依據。在推導的過程中我們先定義基本功率單 位和其與其他服務所造成訊號功率的關係如下： 0 0

1

b total

E

s

I

s

I

SF

ρ





=

_

_

⋅

=

−

_

_

(4.8) 其中 s ： 基本功率單位

E Ib 0 ： 基本服務（Basic Service）所需位元能量與干擾密度比值（Bit Energy to Interference Density Ratio）

SF ： 基本服務所需的展頻係數（Spreading Factor）。展頻係數與 展頻碼產生率（Chip Rate ,W）與資料傳輸速率（Data Rate, R）的關係為SF W R= 。 ρ0 ： 基本服務所需的訊號干擾比，因為是在理想功率控制的條 件下，相同的服務型態所需的訊號干擾比亦相同 total I ： 系統所受總功率（包含熱雜訊） , , , 0 _,

1

m l b m l total m l _{m l} l

s

E

I

s

I

SF

ρ





=

_

_

⋅

=

−

_

_

(4.9) 其中 ： 第m種服務種類使用第l 種資料傳輸速率時於基地台所需 的功率 ： 第m種服務種類使用第l 種資料傳輸速率時所需的位元能 量與干擾密度比值 l SF ： 使用第l 種資料傳輸速率時相對應的展頻係數 ： 第m種服務種類使用第l 種資料傳輸速率時所需的訊號干

, m l k , m l ρ 擾比，因為是在理想功率控制的條件下，相同的服務型態 所需的訊號干擾比亦相同 由(4.8)與(4.9)式可知基本功率單位與其他服務所造成訊號功率間的關係：

(

)

(

)

0 _, 0 _, , 0 0

1

1

1

1

1

1

b b total l l m l m l m l b b total

E

E

I

I

SF

I

SF

s

s

_E

_E

I

I

SF

I

SF



_

_

 

_

_



⋅



_

_

_

⋅

 

_{ }

+

_

_

⋅



_











 



=







 







⋅







⋅

 

+





⋅













 



0 _, 0 _, , 0 0

1

1

1

1

1

1

b b l l m l m l m l b b

E

E

I

SF

I

SF

k

E

E

I

SF

I

SF



_

_

 

_

_



⋅

+

⋅



_

_

 

_

_





_

_

 

_

_





 



=

=







 







⋅

+

⋅







 

















 



(4.10) 其中 ： 第m種服務種類使用第l 種資料傳輸速率時所需之功率與基本功 率單位的比值 藉由 這個參數分別將不同服務型態對於連線品質要求的不同以及不同 資料傳輸速率造成展頻增益不同的效果反映出來，以求得在理想功率控制下不同 使用者在基地台所貢獻出的訊號功率。 接著將進行系統資源與其上限值的推導。我們將利用使用者在基地台的訊號 干擾比進行分析；使用第m種服務種類與第l 種傳輸資料速率時在接收端所需的 訊號干擾比， ： , m l k

, m l ρ v M , , p t q M , , 2 1 , , , , ,

other cell interference

home cell interference m l m l C z z z n v v v m l p t q t q t q

k

s

I

M k

s

k

s

M

k

s

ρ

σ

= ≠

⋅

=











₊





₊















_



_











⋅

⋅ +















_⋅

_⋅

₋

_⋅























∑

∑∑

1 2 3

1 4 4 4 44 2 4 4 4 4 43

(4.11) 其中參數定義為： ：第m種服務種類使用第l 種資料傳輸速率時所需的訊號干擾比 ：本身細胞中使用電路交換模式服務（如語音服務）的使用者人 數，假設該服務的資料傳輸速率為一定值，其中下標v代表是 使用語音服務的意思 ：本身細胞中使用第t 種服務種類，第 q 種資料傳輸速率之封包交 換模式服務（如網頁瀏覽）的使用者人數，其中下標 p 代表是 使用封包交換模式服務的意思 2 σ ：熱雜訊功率 C ：系統中細胞的個數 z I : 其他第z 個細胞（Other Cell）造成的干擾功率 接著我們將推論系統資源，我們先定義本身細胞中使用者訊號功率與基本功 率單位所呈的功率倍數比率，M ，即代表目前所有使用者總共消耗的功率資源 相對基本功率單位而言： , , , , v v v p t q t q t q

M

=

M k

⋅

+

∑∑

M

⋅

k

_(4.12) 而其他細胞干擾因數（Other-Cell-Interference Factor）, i 則為：

i

=

其他細胞造成的干擾功率

本身細胞收到的使用者功率

1 C z z z n

I

M s

= ≠

=

⋅

∑

(4.13) 將(4.12)、(4.13)帶入(4.11)可得：

( )

, , 2 .

1

m l m l m l

k

s

i s M k

s

ρ

σ

⋅

=

+



_

+ ⋅ ⋅



_

−

⋅

(4.14) 從(4.14)式，可推論目前系統所受的干擾功率倍數，M ，（相對於基本功率 單位而言）

( )

2 ,

1

, , , , m l

i s M

k

m l

s

m l

k

m l

s

m l

ρ

⋅ + ⋅ ⋅

=

⋅ +

ρ

⋅

⋅ −

ρ σ

⋅

( )

2 , , , , ,

1

m l m l m l m l m l

k

s

k

s

M

i s

ρ

ρ σ

ρ

⋅ +

⋅

⋅ −

⋅

=

⋅ + ⋅

2 . , ,

1

1

m l m l m l

k

k

i

s

σ

ρ





=

⋅



_

+

−



_

+

_

_

2 , ,

1

1

1

1

1

m l m l

k

i

i

s

σ

ρ





_

_

=

⋅ +



_



_

−

⋅

_

_

+

_

_

+

_

_

0 _, 0 _, 0 0 0 _, 0 _,

1

1

1

1

1

₁

₁

1

1

1

1

1

1

b b l l m l m l b b b l m l b l m l

E

E

I

SF

I

SF

i

_E

_E

I

SF

I

SF

E

I

SF

i

E

I

SF





_

_

 

_

_









_

_

_

_⋅

 

_{ }

₊

_

_

_⋅



_





_

_

_

_{ }

_

_

_



=

⋅





+

_







 







_

⋅

+

⋅







 













_

_

_

_{ }

_

_

_











_

_









_

₊

_

_

_⋅



_





_

_

_

_



⋅





−

⋅

+







_

_

_⋅



















2

s

σ













2 0 0

1

1

1

1

1

1

1

b b

E

I

SF

i

E

i

s

I

SF

σ













+

⋅













_

_













=

⋅

_

_

−

⋅

_

_

+

_





_

+

_

_

⋅







_

_







2 0

1

1

1

1 i

s

σ

ρ





=

⋅ +

_

−

_

+

_

_

(4.15) 基於前一節所說的理由，我們可推導出系統所能承受之干擾功率倍數（相對 於基本功率單位而言）的上限值，Mmax： max

|

0

1

1

1

1

or S o

M

M

i

σ

ρ

→ →∞

=





=

_

+

_

+

_

_

(4.16) 再根據系統負載的定義可分析出系統在多重服務型態下的負載係數(Loading Factor)：

LF

₌

目前使用者之相對於基本功率的功率比值

系統最大之相對於基本功率的功率比值

max

M s

M

s

⋅

=

⋅

( )

( )

2 0 0 2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

i

s

i

M

i s

M

i s

σ

ρ

ρ

σ





⋅ +

_

−

_

+

_

_

=





⋅ +

_

_

+

_

_

+ ⋅

=

+ ⋅ +

, , , , 1 2 , , , , 1 C v v v p t q t q z t q z z n C v v v p t q t q z t q z z n

M k

s

M

k

s

I

M k

s

M

k

s

I

σ

= ≠ = ≠



_

_









_⋅

_{⋅ +}

_⋅

_{⋅ +}

_

_







_{ }

_









_

_

_

_







=



_

_









₊

_⋅

_{⋅ +}

_⋅

_{⋅ +}

_

_







_{ }

_









_

_

_

_







∑∑

∑

∑∑

∑

2 total total

I

I

σ

−

=

_(4.17) 由(4.17)式可看到，在系統同時提供多重服務型態時，系統負載所呈現的形 式最後仍會與(4.6)式一致。這代表我們仍然可藉由對系統干擾功率的量測結果來 估算系統的負載程度，由理論分析所推導出的這項結果非常的重要，此結果提供 我們衡量系統負載時的依據，而相關的演算法亦將依此運作。 在得知系統的負載係數，我們可藉由(4.7)式所定義的NR 值，以另一個角度 來呈現系統負載的情況： 2

1

1

total

I

NR

LF

σ

=

=

−

第五章 允入控制

在第三章中我們提到 WCDMA 系統中有關無線資源管理的演算法，其中功 率控制（Power Control）與換手轉換（Handover）雖有減少使用者干擾與增加系 統資源使用效率的功能，但主要功能仍在維持使用者本身的連線品質。而有關系 統資源的管理與分配，主要透過允入控制（Admission Control）與封包排程（Packet Scheduling ）等演算法進行控制。本節將說明允入控制。

5-1 簡介

經由第四章的分析可知當系統中的干擾功率高至一定程度時，代表系統已逼 近所規劃能夠承受的負載上限，亦代表可使用的無線資源幾乎都已被既有的使用 者所佔用。若此時有新的使用者想要進入系統，系統必須預先估算該使用者加入 對系統所造成的干擾程度。若是在可容忍的範圍內才接受該使用者的要求，建立 連線，否則便拒絕該使用者進入系統，以免影響既有使用者的連線品質。總而言 之，系統考慮是否允許新使用者進入系統時，需根據可能對既有使用者連線品質 造成的影響與系統負載的限制來判斷應該允許或拒絕該使用者進入系統。此種演 算法稱為允入控制（Admission Control）演算法。實現允入控制的主要目的與影 響有： λ 確保訊號的傳輸服務品質（QoS），如訊號干擾功率比（SIR）、位元能量與 干擾密度比值（E I ）或位元錯誤率（b/ 0 Bit Error Rate, BER）。

因為使用者不斷增加時，干擾功率將不斷上升，則傳輸訊號的功率相對減弱 而無法維持在使用者所要求的品質，所以需要有控制新使用者進入系統的機 制。 λ 控制使用者的優先權（Priority）。 不同程度或不同型態的使用者，如換手轉換（Handover）過來的使用者等， 擁有不同的使用優先程序，可由允入控制來管理。 λ 確保新使用者被拒絕（Blocking）進入系統的機率在容許值中。 若將進入系統的門檻值設的過低，雖然可使系統中的使用者不被斷線，但會 造成新使用者無法進入系統，換言之，系統保留過多的資源而浪費。 λ 無線資源的分配。 當使用某一類服務的使用者造成系統負載的比例超過一定程度時便阻止該

類使用者的進入，以保留資源給其他類型的服務使用。 基於上述目的，允入控制的演算法必須在不同考量之間做出互相取捨(Trade Off)，整理過去的文獻可將允入控制的演算法分為下列數類： λ 以頻寬（Bandwidth）為資源利用依據： 當新使用者或換手轉換使用者要求進入系統時，系統根據當時所剩下的頻寬 作為資源分配的根據，並對新使用者與高速度傳輸者做適當的頻寬保留，以 確保新舊使用者的服務品質[29]。 λ 以使用者數目為依據： 利用不同服務型態使用者所消耗的資源如功率或頻寬，規劃系統資源可容許 各種服務型態的使用者人數，當規劃人數數目超出系統容許範圍時，就拒絕 新使用者進入[30][31]。 λ 以傳送或接收功率為依據： 根據使用者傳輸功率的上限值為依據，其方法為要達到目標訊號干擾比 （Target SIR）時使用者所需要的傳送功率若超出規範的上限值，就拒絕其 進入[32]。 λ 以接收到的訊號干擾比(SIR-based)為基礎： 根據新使用者的訊號品質能否滿足服務品質的要求來判斷是否允許該使用 者進入系統。此方法將可確保新加入使用者訊號的品質符合服務品質的要 求，此種演算法所需克服的問題在於系統如何正確的分別估算訊號與干擾的 功率，以及在不同的環境之下該如何設定相對應的門檻參數。相關的內容在 Liu[33]與Kim[34]的文章中有更詳細的說明。 λ 以接收到的干擾功率（Interference-based）為基礎： 根據當時系統所承受的干擾功率來決定是否允許新使用者進入系統。這裡所 稱干擾功率，其實包括了系統中既有使用者發射訊號對新使用者訊號造成的 干擾(Interference)功率，以及背景熱雜訊（Thermal Noise）的功率。當系統 中的干擾功率在加入新使用者後仍不會超過上限時，則允許新使用者進入系 統。在此種演算法運作時相關的議題在 Zhuge[35]與 Shin[36]的文章中有更 進一步的探討