無線網路使用MC-CDMA技術之軟式移交佇列優先權演算法研究

無線網路使用 MC-CDMA 技術之軟式移交佇列優先權 演算法研究

陳信北

清雲科技大學資訊工程系

許文彬

中州技術學院資訊工程系

摘 要

無線通訊技術是近年來廣受歡迎的技術，因為它解決有線網路受地形地物 影響的限制。而移交管理是無線通訊系統的重要議題。本篇論文主要針對無線 網路使用多重載送分碼多工存取 (multi-carrier code division multiple access；

MC-CDMA)的技術利用佇列優先權(queuing priority)的觀念來解決移交斷訊率 (handoff call dropping ratio)過高的問題。我們提出一個高效率的適應性佇列優 先權演算法 (adapted queuing priority algorithm；AQPA)，採用前後移交佇列的 架構及應用剩餘價值 (surplus value)的策略來解決移交管理的問題。系統將不同 的服務連線訂定不同的優先權順序，每個移交連線使用相對優先權來接受服 務。最後，透過模擬的方式與其他已提出的方法互相比較。 AQPA 演算法確實 使輸出率 (throughput)提高、軟式移交斷訊率、新連線阻塞率(new call blocking ratio)及系統連線拒絕率(call refusing ratio)顯著降低。AQPA 的效能確實比其他 方法優異。

關鍵詞：多重載送分碼多工存取、無線網路、佇列優先權、越區移交管理。

STUDY ON QUEUING PRIORITY ALGORITHM FOR SOFT HANDOFF USING MC-CDMA IN WIRELESS NETWORKS

Hsin-Pei Chen

Department of Computer Science and Information Engineering Ching Yun University

Jung-Li, Taiwan, 320, R.O.C.

Wen-Pin Hsu

Department of Computer Science and Information Engineering Chung Chou Institute Technology

Yuan-lin, Taiwan, 510, R.O.C.

Key Words: MC-CDMA, wireless networks, queuing priority, handoff manage-

ment.

ABSTRACT

Wireless communication has recently become a very popular tech- nique; it eliminates the restriction that wired networks are subject to the in- fluence of terrain and ground features. Handoff management is an impor- tant issue in wireless mobile communications. This paper aims at making use of the queuing priority concept to resolve a problem in which the handoff call dropping ratio is high in a wireless network using multi-carrier code division multiple access (MC-CDMA). The proposed method em- ploys an efficiently adapted queuing priority algorithm (AQPA) which adopts a front and back handoff queuing structure and applies surplus value strategy to resolve the problem of handoff management. The system sets different priorities for all traffic types; each handoff call handles its own priority ordering. We compared the performance of other approaches with our scheme by simulation. The AQPA algorithm obviously increases sys- tem throughput and decreases the soft-handoff call dropping ratio, the new call blocking ratio, and the total call refusal ratio. The performance of AQPA is better than the other methods examined.

一、簡 介

無線通訊技術是近年來廣受歡迎的技術，因為它解決 有線網路受地形地物影響的限制。但在無線通訊環境中，

外在干擾多且可使用的資源有限，因此，頻寬不足一直是 無線網路應用發展的瓶頸。一個多重載送(multi-carrier)的技 術被提 出，使的在分碼 多重存取 (code division multiple access；CDMA)環境下大幅提高系統網路的整體輸出率 (throughput)。現階段 CDMA 2000 1xEV-DV 多工存取技 術，可以同時支援傳送語音訊息與資料訊息[1]，而多重載 送之分碼多重存取(multi-carrier CDMA；MC-CDMA)技術 [2-4]可在同一時間內使用多個虛擬碼(pseudorandom noise code；PN-code)傳送資料，使得網路能同時支援語音、影像、

資料等不同交通流量。

無線網路的標準制定上有許多方面需要考慮。在無線 介面方面，需要考慮的有實體層(physical layer)、資料鏈結 層(data link layer)，包括媒體存取控制(media access con- trol)、邏輯鏈結控制(logic link control)都需加入一些無線方 面的功能。在有線介面方面，傳輸層(transport layer)和交換 機的管理也需進行延伸，以期能滿足用戶對越區移交及保 密等功能的要求。在針對移動性的支援方面應包括：移交 管 理 (handoff management) 、 位 置 管 理 (location manage- ment)、呼叫允入控制(call admission control；CAC)、服務 品質 (quality of service；QoS)的保證及路由控制(routing control)等。由於無線基地台(base station；BS)的服務範圍是 有限的，當行動台(mobile station；MS)接收功率過低時將 發生移交情形，一旦傳輸中遭受到中斷，不管是使用者或 網路服務提供者所承受的損失必會更加嚴重。因此，增加 越區移交的平穩度是必要的。現階段 CMDA 2000 越區交遞 管理，使用導引訊號(pilot)強度來判斷，大都以靜態設定為 主[5]，輔以簡單的動態量測訊號方式作為行動台越區移交

的門檻條件，因此當導引訊號夠強時，反而是鏈路(link)頻 寬的浪費。減少不必要的移交連線發生，讓其他更需要服 務的連線進入系統服務是我們須考慮的問題。為了提高使 用中行動台的鏈路越區移交的平穩度，即減少鏈路的頻寬 浪費，讓其他更需要服務的連線進入系統服務，我們將提 出一個高效率的適應性佇列優先權演算法(adapted queuing priority algorithm；AQPA)，使用 MC-CDMA 的技術來解決 移交管理的問題。

移交管理的研究有相當多是針對有佇列存在時的狀況 下提出方法，沒有佇列的 CAC 雖然方法簡單，但是其效能 畢竟比較差。現今常使用的佇列優先權的演算法有很多，

已被提出及常使用的方法有下列數種：

先到先服務(FCFS)的佇列演算法(first come first served queuing handoff scheme)[6]：此法是先進到服務範圍者先服 務，不管進入佇列後的變化，此方法較簡單且容易實現，

不管是否有保留部份頻寬給越區移交連線(handoff call)使 用，其目的是為了降低連線被強迫中斷的機率，但對新呼 叫連線(new call)的阻塞率較高，且無法支援移動速度較快 的使用者。

以量測為基礎的優先權策略(measurement-base priori- tization scheme；MBPS) [7-10]：基地台依照其所量測之信 號功率強度來決定連線的優先權。此法可以大大改進原先 FCFS 的方法，但對於移動速度較快之使用者的中斷率還是 較高，無法有效解決。

階 層 式 CAC (hierarchical call admission control) [11,12]：此法是依行動台移動的速度區分成兩個不同的服 務範圍，由不同的服務範圍基地台來決定優先權，此法是 可以解決許多快速移動得問題，但蜂巢式細胞本身架構也 必需要是屬於階層式才行。如果是屬於一般蜂巢式架構就 無法應用。

移交連線動態優先權佇列(dynamic priority queuing of

handoff calls；DPQ) [13-15]：此法主要改進 MBPS 的方法，

WAN

BS

BS BS

BS

BS BS

BS

MSC MSC MSC

MS MS

MS

MS

MS MS

MS：行動台 BS ：基地台 MSC：行動交換中心

圖 1 蜂巢式網路系統基本架構

可以讓移動速度較快的可以有較高優先權。此法許多人提 出，都是只考慮移交連線移動時的優先權，對於出現熱點 (hot-spot)或靜止的移交連線就無法克服，往往也讓新呼叫 連線阻塞率提高。另外沒有考慮到不同型態的交通流量優 先權問題，往往會造成 HOL 阻塞(head of line blocking)的情 況，因此無法使有效資料的輸出率提高。

針對上述方法的缺點，我們將提出 AQPA 演算法來解 決移交管理問題。在 MC-CDMA 的環境中就軟式越區移交 的管理模式，我們選擇建立三種慣用交通模組，固定位元 速率(constant bit rate；CBR)、變動位元速率(variable bit rate；VBR)、可用位元速率(available bit rate；ABR)等不同 交通流量型態。利用現有的資源管理配置機制(bandwidth allocation mechanism)[16,17]，結合現行的預先規劃和佇列 優先權策略來降低行動台在執行移交程序時通訊鏈路被迫 中斷的機率。並利用前後佇列的方式來比較量測之引導訊 號，提高移交門檻規範，減少不必要做越區移交的行動台 執行移交的動作而浪費頻道的資源頻寬，藉此提升頻寬資 源的利用率及網路的整體效能。

本篇論文內容，除了本節概論外其餘章節如下：第二 節將說明無線網路系統架構及 MC-CDMA 技術簡介，第三 節將說明我們所提出的 AQPA 演算法架構及運作流程，第 四節將作一個簡單佇列數學分析，第五節將利用軟體模擬 驗證我們所提 AQPA 演算法的效能與其他演算法的比較。

最後將做一個簡要結論。

二、系統架構與 MC-CDMA 存取技術

本節將簡單說明無線網路系統架構、基本行動台移交 程序的概念及 MC-CDMA 的存取技術。

1. 無線網路系統架構

一般蜂巢式無線網路系統主要組成元件包含了行動

T_ADD T_DROP

引導信 號強度

時間 BSA

BSB

鄰近集 後選集

主動集 BSA引

導信號

BS sends

HDM 軟式移交區

MT sends PSMM

BS sends HDM MT sends

PSMM

BS sends HDM MT sends

PSMM

BSB引 導信號

鄰近集 後選集

鄰近集 T_TDROP

計時器起動 主動集

圖 2 基本的軟式移交概念

台、基地台、行動交換中心(mobile switching center；MSC)。

MSC 系統是一個無線行動通訊網路的核心，所負責的主要 工作包含無線通訊頻道的分配與管理、呼叫(paging)的處理 和控制、越區交換和漫遊(roaming)的控制、使用者資訊的 登記與管理、服務類型的控制、認證使用者身分等。基地 台除具備應有功能外，更扮演著行動台與有線網路之間的 橋樑，負責無線與有線之間封包格式轉換的工作。行動台 即是使用者，可以自由於無線網路系統服務範圍內任意移 動及通訊。圖 1 為蜂巢式網路系統基本架構。

在無線環境下的封包格式和有線環境不盡相同，其表 頭(header)部分，須做部分的修改才能符合兩者不同的傳輸 模式，以適應整個無線通訊環境的傳輸。BS 傳輸的頻道區 分為上鏈頻道(uplink)與下鏈頻道(downlink)[18]。上鏈頻道 的訊框由 N 個資料時槽(data slot)加上一個要求時槽(request slot)組成，其為 MS 傳送資料到 BS 的通道。要求時槽為 MS 有傳送資料時，放入請求的訊息，其時槽位置須在最後 一個資料時槽之前傳送，讓 BS 有足夠時間分配下一個訊框 時槽。下鏈頻道的訊框由 N 個資料時槽加上一個控制時槽 (control slot)組成，其為 BS 傳送資料給 MS 的通道。控制 時槽為 BS 將回應訊息與時槽分配情形告知 MS，其時槽位 置在下鏈訊框的第一個時槽。

由於無線通訊具有提供行動台可移動性的特性，再加 上蜂巢式管理架構，每個行動台都可能因為移動而跨越出 原本基地台的通訊範圍而進入另一個基地台的管轄區。缺 乏良好的移交機制，將導致行動台因移出原基地台服務範 圍進入另一基地台的同時，卻無法得到新基地台的服務，

使連線中的行動台因移交程序不夠完善而強迫中斷，進而 產生斷訊的現象。

2. 基本的軟式移交(soft-handoff)概念

行動台的基本軟式移交程序，如圖 2 所示，其過程會 牽 涉 到 四 個 與 引 導 信 號 有 關 的 移 交 參 數[19] ， 分 別 為

T_ADD、T_COMP、T_DROP 及 T_TDROP。T_ADD 為引

導信號偵測門檻值(pilot detection threshold)，當行動台收到

大於

T_ADD 的引導信號時會傳送一引導訊號強度量測的

訊息(pilot strength measurement message；PSMM)給基地

台。T_COMP 為比較門檻值(comparison threshold)，當基地 台收到行動台傳送的 PSMM 量測值大於 T_ADD 加上

T_COMP 時，基地台送一個移交管理訊息(handoff direction

message；HDM)給行動台，接受行動台的連線要求。T_DROP 為引導訊號斷訊門檻值(pilot drop threshold)和 T_TDROP 斷 訊時間計數門檻值(drop timer threshold)並用，當引導信號

低於

T_DROP 時斷訊時間計數器開始啟動，當時間到達

T_TDROP，行動台離開基地台服務範圍。

3. MC-CDMA 存取技術

無線通訊方面，到了第三代系統，由於頻道劃分採用 CDMA 2000 機制及 PN-code 的配置，使得系統頻寬利用效 能 提 高 ， 國 際 電 信 聯 盟 (International Telecommunication Union；ITU)為第三代行動通信技術在傳輸速度上定了三個 標準要求[20]：當行動台快速移動時，傳輸速率需達到 114 kbps。當行動台低速率移動時，傳輸速率需達到 384 kbps。

當行動台處於靜止環境時，傳輸速率需達到 2 Mbps。

在 MC-CDMA 系統中，所有訊號皆以基本速率 R

_b

傳輸，

若行動台的最大傳輸速率為基本速率的

m 倍，則稱此行動台

為 m-rate 行動台。當一個 m-rate 行動台要以 n 倍(1≦n≦m)基 本速率傳送資料時，行動台將資料流(data stream)經由序列 對並列(serial-to-parallel)轉換成 n 個基本速率，對每個基本 速率資料流分別使用不同的 PN-code 做展頻，然後將他們 重疊再傳送出去。而每一個時槽可以同時傳送的最大封包 數(maximum number of package) K

_user

，此指傳送相同類型的 流量。本論文採用式(1)的 Q 函式(Q function)，再利用夾擠 定理(sandwich theorem)求得[21]。

 





 





= −

1 3

user SF

e K

Q N

P

(1)

其中，P

_e

為平均錯誤位元率(bit error rate；BER)，N

_SF

為展 頻係數(spreading factor)，K

_user

為每一個時槽可以同時傳送 的最大封包數或同時可以傳送資料的使用者數。如果不同 類型流量混合傳送時，其可以同時傳送的最大封包數乃依 據

P_e

要求較嚴格之流量型態可傳送最大封包數為基準。例 如，展頻因子為 128 時，每一個時槽單獨傳送 P

_e

要求為 10

^-3

、10

^-6

、10

^-9

的流量型態時其可同時傳送最大封包數分 別為 41、17、11 個。如果兩者混合傳送時則依據要求較嚴 格者 10

^-9

標準傳送，既同時可傳送最大封包數為 11 個。

三、AQPA 演算法

在無線行動通訊的環境中，由於採用蜂巢式架構，每 個蜂巢式細胞掌管固定的服務範圍， MS 則在這些蜂巢式細 胞間移動。 MS 最擔心的是在快速移動時因新基地台無法提 供足夠資源造成斷訊。因此較佳的移交機制是很重要的。

DPQ 演算法[13-14]，主要改進 MBPS 的方法，可以讓移

CBR 移交連線

ABR 移交連線 VBR 移交連線

新連線

高

優先權

低 後移交佇列 前移交佇列

. . . . . . . . .

. . .

圖 3 系統佇列模組

動速度較快的 MS 有較高優先權。此法許多人提出，都是 只考慮移交連線移動時的優先權，對於出現熱點或靜止的 移交連線就無法克服，往往也讓新呼叫連線阻塞率提高。

另外沒有考慮到不同型態的交通流量優先權問題，因此無 法使頻寬利用率有效提高。因此，我們提出 AQPA 演算法 來解決上述的問題，本節將詳細說明 AQPA 演算法及運作 流程。

1. 佇列模組(queuing models)及運作方式

為適用於在多媒體環境中，系統定義三種交通流量型 態區分為 CBR、VBR、ABR 三類。依照 CAC 要求，將要 求連線的呼叫區分為新連線呼叫及移交連線呼叫兩種。佇 列模組區分為後移交佇列(back handoff queue)及前移交佇 列(front handoff queue)兩個區塊。每區塊依交通流量型態區 分為各類不同的佇列；分別為 CBR back handoff queue、VBR back handoff queue、ABR back handoff queue、CBR front handoff queue、VBR front handoff queue、ABR front handoff queue。如圖 3 所示。將佇列模組區分前後移交佇列的原因 是，使用者在進入新 BS 前會經過一段軟式移交區域。在這 段區域新基地台可以立即建立連線，但也可以緩建連線。

因為對 MSC 而言雖然有多個 BSs 送相同 MS 資料至此，也 只有一份資料是可以被接受的。因此，當其信號夠強，資 料可以被解析時，如遇頻寬不足或擁塞時可以暫時不建立 連線節省資源。

佇列的運作方式如下：

(一) 後移交佇列運作

移交連線進入後移交佇列的條件：只要行動台提出需 要移交的要求就可進入，不管目前接收信號強度。系 統每隔一個週期時間會檢核此處的移交連線狀況，將 結束完成連線或符合進入前移交佇列條件的移交連線 移出佇列。

後移交佇列優先權策略：利用原基地台引導信號強度

L_(old)

與新基地台引導信號強度

L_(new)

的差值，當值小於

0 時則將移交連線轉入前移交佇列中。

(二) 移交佇列運作

移交連線進入前移交佇列須滿足下列兩個條件 (1) 需來自於後移交佇列中的移交連線。

(2) 當該移交連線與原基地台引導信號強度 L

_(old)

低於

新基地台引導信號強度

L_(new)

時，即

L_(old) < L_(new)

。

移交連線進入前移交佇列後，如果頻寬資源足夠時，

直接分配頻寬執行移交程序。當頻寬不足時，前移交 佇列為空的則排至第一個位置。如果佇列有一個以上 在等待則依序比較優先權。優先權是依據該移交連線

T_TDROP 時間及預測衰減時間(predict weak time)TPWT

來決定。

前移交佇列優先權策略：

(1) 當 T_TDROP 計時器被啟動則判斷(T_TDROP –

Tnow

)值越小者優先權越高。T

now

表目前計時器值。

(2) 當 T_TDROP 計時器未被啟動時則判斷 T

PWT

值越小 者優先權越高。其值可由式(2)獲得；

 

 





∆

= −

RSS L

T_PWT L^{now(old) RST}

⁽²⁾

其中，L

now(old)

為目前原基地台信號功率值。L

RST

為基地

台或行動台可清楚辨識信號與背景雜訊的接收靈敏度 門檻值(receive sensitivity threshold；RST)。 Δ

RSS 為行

動台接收原基地台信號功率衰減量，即每單位時間之 功率衰減變化量[10]。T

PWT

為預測衰減時間，表示行動 台因快速移動從目前信號功率衰減至

LRST

時的預估時 間。當行動台進入前移交佇列後就有機會得到新基地 台服務，我們依優先權最高者先服務。當三個前移交 佇列中的最高優先權移交連線皆相同時，則依序由 CBR、VBR、ABR 次序安排進入系統中。如果頻寬不 足無法得到新基地台服務，且

T_TDROP 時間到達時，

此移交連線將被斷訊並從佇列中被移除。

2. 剩餘價值(surplus value)

剩餘價值主要是提供給新連線呼叫的服務，提高資料 的有效輸出率及降低新連線阻塞率。以往在佇列優先權的 概念中只要移交連線的佇列中有移交連線在等待服務，此 時所有新連線呼叫都會因頻寬不足被拒絕連線。但是，在 MC-CDMA 的系統中因為不同型態的流量可以同時傳送的 數量不同，因此在資源利用上可能尚存有許多可以利用的 資源，這些資源可能因為其他型態的移交連線資源不足而 同時將其列為被拒絕之連線。因此為改進此缺失，提出殘 餘價值理論，減少 HOL 阻塞的機率，降低新連線阻塞率。

依照現行不同型態流量在排程中的剩餘可以利用頻寬 傳送資料。其運作方法如下：當新連線到達時，我們依不 同交通型態做下列的判斷

步驟 1： 如果 ABR front handoff queue > 0 and VBR front handoff queue = 0 and CBR front handoff queue = 0 時，則當新連線為 CBR 或 VBR 型態時可直接進 入系統接受服務但須依照需求資源。而 ABR 新連 線被拒絕。

步驟 2： 如果 ABR front handoff queue > 0 and VBR front handoff queue > 0 and CBR front handoff queue = 0

開始

事件?

前移交佇列 是空的?

分配通道

結束 剩餘價值

存在?

新連線阻塞

將連線放入 前移交佇列

依序將高優先權 連線進入系統

可用資源?

移交連線斷訊 連線到達

新連線?

是

否 將連線放入

後移交佇列

選取後移交佇列 中L(old)< L(new)

的移交連線

流量型態 移交連線 新連線

計算前移交佇 列中移交連線 優先權並排序 檢查點或通道釋放

選取所有在前移交佇列中 T_TDROP Time = 0

的移交連線

流量型態 是

是

是

新連線

移交連線 否

否

否

圖 4 AQPA 運作流程

則當新連線為 CBR 型態時可直接進入系統接受服 務但須依照需求資源。而 ABR 及 VBR 新連線被 拒絕。

步驟 3： 如果 ABR、VBR and CBR front handoff queue 皆有 一個以上(含 1 個)的移交連線在等待服務時，則所 有新連線都被拒絕。

3. AQPA 運作流程

AQPA 運作流程如下圖 4 所示。圖 5 為事件發生的時 序實例。其中事件主要包含檢查點(checkpoint；CP)，呼叫 連線到達(call request；CRT)，連線結束通道釋放(channel release；CRS)等三項。當其中某一項事件發生時就進入 AQPA 運作流程。其中封包排程方式利用 OCSA (optimized cell-scheduling algorithm)法則[17]。

四、分 析

後移交佇列只是暫存欲移交的連線，依照其接收基地 台信號強度來判定是否屬於必須執行移交的移交連線。如 圖 6 所示，假設行動台從 BS

A

往 BS

B

的方向進行越區移動，

當行動台移動至點 1 時其接收到的 BS

B

的信號強度為

LB1 = T_ADD + T_COMP，此時行動台會進入 BSB

的後移交佇列

中等待。當行動台繼續移動至點 2 時其接收到的 BS

B

的信

號強度為

LB2

且大於

LA2

，此時行動台會進入 BS

B

的前移交

佇列中進行移交程序。

… …

Time

CP CP CP CP CP CP CP

CRT CRT CRS CRSCRT CRS

圖 5 事件時序實例

圖 6 行動台移動與兩基地臺間的關係圖

假設系統為標準蜂巢式架構，BS 的硬式移交服務範圍 半徑為

Ri

，兩基地臺間的距離為 3 ，而進入 BS 的移交

R_i

連線到達率為

λh

。後移交佇列中的移交連線在等待過程中 連線結束速率為

µ_cb

。則輸出至前移交佇列的移交連線速率 為

λout

，如(3)式所示。其中 λ

_h1

、 λ

_h2

、 λ

_h3

分別表示進入 CBR、VBR、ABR 前移交佇列的移交連線速率。

3 2

1 h h

h cb h

out

λ µ λ λ λ

λ = − = + + ⁽³⁾

前移交佇列接受來自後移交佇列有效移交連線。因此 我們探討移交連線斷訊機率及新連線阻塞機率。系統狀態 轉換情形如圖 7 所示。CBR、VBR、ABR 流量型態平均要 求頻寬不同，系統可容納的連線數也隨之不同。因此假設 系統已容納

k 個連線時 ABR 流量型態的移交連線因資源不

足只能進入 ABR 前移交佇列等待而 ABR 新連線則被拒 絕。若系統已容納

n 個連線時 VBR 流量型態的移交連線因

資源不足只能進入 VBR 前移交佇列等待而 VBR 新連線則 被拒絕。若系統已容納

m 個連線時 CBR 流量型態的移交連

線因資源不足只能進入 CBR 前移交佇列等待而 CBR 新連 線則被拒絕。

假設進入系統的連線到達率為 λ

=

λ

_n+

λ

_out

，包含新呼 叫連線到達率 λ

_n

與移交連線到達率 λ

_out

(進入前移交佇 列)。其關係如式(4)至(6)所示，其中 λ

₁

、 λ

₂

、 λ

₃

分別表 示 CBR、VBR、ABR 型態流量進入系統的連線到達率(包 含移交連線及新呼叫連線)， λ

_n1

、 λ

_n2

、 λ

_n3

分別表示 CBR、

VBR、ABR 等不同型態的新呼叫連線到達率。

3 2

1

λ λ

λ λ λ

λ =

n

+

out

= + + (4)

3 2

1 n n

n

n

λ λ λ

λ = + + ⁽⁵⁾

3 3 3 2 2 2 1 1

1

λ

_n

λ

_h

, λ λ

_n

λ

_h

, λ λ

_n

λ

_h

λ = + = + = + ⁽⁶⁾

系統定義 P

_(a,b,c,j)

表示系統中有 j 個的連線被服務，且

CBR 前移交佇列有 a 個移交連線在等待，VBR 前移交佇列 有

b 個移交連線在等待，ABR 前移交佇列有 c 個移交連線

在等待的狀態機率，則由守恆定律可得到其和為 1，如式(7) 所示。

1

4 0

) , , , ( 0 0 3

0 ) , , , 0 ( 0 1

2 0

) , , 0 , 0 ( 1

1 1

0 ) , 0 , 0 , 0

( +

∑ ∑

+

∑ ∑ ∑

+

∑ ∑ ∑

=

∑

^∞

=

∞

=

∞

=

∞

=

∞

=

−

=

∞

=

−

=

−

=4243 14 24 4 34 14 244 4 344 14 244 4 344

1 ^c

m c b a b a c

j c b b m

n j c

j c n

k j k

j

j p p p

p

(7) 其中第一項表示前移交佇列皆是空的且系統未到飽和狀

態。第二項表示系統已有

k 個以上連線被服務且 ABR 型態

移交連線將進入前移交佇列中等待，而 ABR 型態的新連線 將被阻塞。第三項表示系統已有

n 個以上連線被服務且

ABR 與 VBR 型態移交連線將進入前移交佇列中等待，而 ABR 與 VBR 型態的新連線將被阻塞。第四項表示系統已

有

m 個以上連線被服務，所有型態移交連線將進入前移交

佇列中等待，而所有型態的新連線將被阻塞。由式(5)，已 知新連線到達率

λn

為三者之和，根據剩餘價值的演算法可 以確定新連線呼叫的阻塞率

Pblock

為式(8)。

( ) ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑

∑

^∞

=

∞

=

∞

=

∞

=

∞

=

−

=

∞

=

−

=

+ + +

=

0 ) , , , ( 0 0 0

) , , , 0 ( 0 1 3 2

0 ) , , 0 , 0 ( 1 3

c m c b a b a c

j c b b m

n n j

n n c

j c n

k n j n

block p p p

P

λ

λ λ λ

λ

(8) 由此可以知道，AQPA 的新連線阻塞率會小於 FCFS

演算法或其他要求有一個以上移交連線在佇列中等待時新 連線一律拒絕的演算法。

再來考慮移交連線斷訊率。移交連線斷訊率與系統可 用資源及移交連線移動速率有關。當系統無可用資源時，

移交連線會在前移交佇列中等待可用資源。當行動台移動 距離超過原基地台可以服務的範圍，即其接收到的信號強 度小於

T_DROP 時，行動台會啟動 T_TDROP 計時器。當

計時器計時終止時，移交連線都未分配到新基地台資源時 就會被強迫斷訊。從圖 6 可以知道，移交連線行動台進入 前移交佇列時位於點 2 其接收來自原基地台信號為 L

A2

，當 行動台繼續移動至點 3 時，尚未獲得新基地台資源且來自 原基地台信號強度降為

T_DROP 時，經過 T_TDROP 時間

後此移交連線將被斷訊。

假設系統有

j 個連線被服務，系統平均服務速率為 jµ，

移交連線在佇列中完成連線離開速率為

µcf

，移交連線在佇 列中等待時間超過通道釋放時間而斷訊的平均速率

µd

。因 此，當系統於

P(a,b,c,j)

狀態時，佇列中有移交連線在等待，

整個系統連線離開速率為

µt

，式(9)所示。

表一 系統參數

項 目 設定值

基地台服務半徑 1 公里

基地台傳輸頻寬 50 Mbps 全雙工模式

連線到達程序 Poisson 分佈

車輛平均移動速率 (市區) 50 km/hour

徒步者平均移動速率 4 km/hour

移交連線比例 35%

T_TDROP 3 sec

每一個傳輸通道頻寬 64kbps 展頻係數(spreading factor) 128

表二 不同訊務型態之參數

項 目 CBR VBR ABR 平均錯誤位元率 10

^-3

10

^-6

10

^-9

每個通道最大使用者數 41 17 11

連線平均傳輸率 64 kbps 512kbps 256kbps 連線平均維持時間

(mean holding time) 3 min. 10 min. ─ 連線平均資料量

(mean data size) ─ ─ 3Mbytes

流量型態比例 35% 25% 40%

) )(

(

_{cf d}

t

j µ a b c µ µ

µ = + + + + ⁽⁹⁾

由圖 7 可得到，當 a > 0 或 b > 0 或 c > 0 時前移交佇列中 至少有一個移交連線在等待，如果來自原基地台信號強度 降為

T_DROP 且經過 T_TDROP 時間後，尚未獲得新基地

台資源，此移交連線將被斷訊。因此系統於

P_(a,b,c,j)

狀態時 其斷訊的機率為

P_d(a,b,c,j)

[14]，式(10)所示

) , , , ( )

, , ,

(

( )( )

) (

j c b a d cf d j

c b a

d P

c b a j

c b P a

µ µ µ

µ + + + +

+

= + ⁽¹⁰⁾

則系統移交連線斷訊率為

P_drop

，式(11)所示。

) , , , ( 0 0 0

j c b a d c b a m

k j

drop

P

P ∑ ∑ ∑ ∑

^∞

=

∞

=

∞

=

=

= ⁽¹¹⁾

五、模擬與結果

本節將透過軟體模擬來驗證我們所提之 AQPA 演算法 和 FCFS 演算法及 DPQ 演算法等佇列演算法機制及無佇列 (No queuing)頻寬保留演算法比較其系統的移交斷訊率、新 連線阻塞率及有效資料輸出率等效能評比指標的表現。

0,0,0,0 0,0,0,k 0,0,0,m 1,0,0,m

0,1,0,m

0,0,2,m 0,0,1,m

1,1,0,m

1,0,1,m

1,0,2,m

... ...

...

...

...

...

... ...

Layer 1

Layer 2

...

λ λ

λh3

λh3

λh3

λh3

λh3

λh3

λh1 λh1

λh1 λh1

λh1 λh1

λh1 λh1

λh2

λh2 λh2

µ kµ nµ mµ

µt µt µt

µt µt

µt

µt µt

µt µt

µt µt

µt µt

0,0,0,n λ1+λ2 (k+1)µ

... ...

0,0,2,k

0,0,1,k 0,0,1,n

0,0,2,n

...

...

λh3

λh3

λh3

λh3

λh3

λh3

µt µt

µt

µt µt

µt

...

...

λ1+λ2 λ1

mµ

...^λ1

...^λ1

(n+1)µ0,0,0,n+1^λ1 (n+2)µ

0,0,1,n+1

0,0,2,n+1

...

λh3

λh3

λh3

λ1

λ1 µt

µt

mµ µt

λ1

0,1,0,n 0,1,0,n+1 ...

...

λh1 λh1

λh2

λh2 λh2

µt µt

µt

...

λ1+λ2 λ1+λ2 (k+1)µ nµ

λ1+λ2 λ1+λ2 (k+1)µ nµ

λ1 (n+1)µ

(n+1)µ λ1

λh3 µt

λh1 mµ λh2 µt

...

λh2 µt

...

(n+1)µ (n+2)µ

(n+2)µ

(n+2)µ µt µt

µt λh3

µt

λh3 µt

λh3 µt

...

λh2 µt

...

λh2 µt

... _λ

h2 µt

... _λ

h2 µt

... _λh2

µt

...

λh2 µt

...

λh2 µt

...λh2 µt

...

圖 7 系統狀態轉換圖

1. 演算法比較與模擬參數

我們將現階段常使用到的無佇列頻寬保留演算法、先 到先服務(FCFS)演算法及 DPQ 演算法及我們提出的 AQPA 演算法做一簡單說明：

No queuing 頻寬保留法：保留固定百分比的資源提供 給需要進行移交程序的行動台，期望減少移交的斷訊率；

特別值得注意的是，該保留的資源只允許需要進行移交程 序的行動台所使用；至於新連線要求是不被允許使用該保 留資源的。

FCFS 佇列演算法：所有的移交連線於允入控制時依照 提出需求的時間先後順序及目前資源分配情況而決定是否 可以進入系統，系統的所有資源是由每個連線所分享。如 果系統頻寬資源不足時，移交連線可以進入佇列中等待而 新連線皆會被拒絕。

DPQ 演算法：如果系統頻寬資源不足時，移交連線可 以進入佇列中等待而新連線皆會被拒絕。系統利用接收訊 號的變化量來決定移交連線在佇列中的優先權。

AQPA 演算法：使用前後移交佇列架構減少不必要移 交連線的發生，將節省的資源頻寬服務更多連線，並利用 剩餘價值提高有效資料輸出率，並降低系統新連線阻塞率。

本文模擬所使用的系統參數說明如下，其相關參數如 表一及表二所示[17,18]。每一個基地台頻寬為 25MHz，全 雙工進行通訊，採用 QPSK(quad phase shift keying)技術，

因此每個方向傳輸速率為 25Mbps，取其頻寬為模擬頻寬。

將總頻寬區分上下各為 390 個通道，每一個傳輸通道為 64kbps。其中 360 個頻道為資料通道(data traffic channel)，

30 個控制通道(control channel)。交通模組採用 CBR、VBR、

ABR 三種交通模組，模擬系統採用 MC-CDMA 技術，展頻 係數為 128 時，各種不同流量型態在各通道可以同時傳送 資料的個數如表二所示。

移交範圍區域比例可由圖 6 及式(12)求得該比例約為

21%~26%。此處選擇 R0 值約略大於 Ri 值 2%~5%範圍以避

免死角發生。

圖 8 模擬系統架構圖

handoff area ratio＝

21%~26%

(12) 模擬系統架構如圖 8 所示，基地台 A 為主要量測基地

台，移交連線由週邊細胞服務範圍進入基地台 A 的佇列中 等待服務。效能評估皆以基地台 A 的資源來評量。

2. 模擬結果比較

首先，我們先觀察我們所關心的移交連線斷訊率的問 題，從圖 9 可以得知，No queuing 頻寬保留與 FCFS 的策略 其移交連線斷訊率結果相近，這是因為 No queuing 頻寬保 留策略將部份頻寬留給移交連線使用其與 FCFS 的策略有 異曲同工之妙，因為 FCFS 的策略當移交連線進入佇列中 等待服務時相當於新連線是禁止進入系統的狀態，因此兩 方法程序雖然不同但結果卻在伯仲之間。DPQ 的機制對移 交連線斷訊率而言會比 FCFS 的策略來的佳，這是因為 DPQ 的機制使移交連線在佇列中有優先權次序，因此信號變化 比較快的連線有較高的優先權，減少 HOL 阻塞問題，可以 降低移交連線斷訊率。而我們所建議的 AQPA 策略，表現 最好，這是因為我們除了採用信號變化決定佇列優先權機 制外，也使用不同流量型態在不同佇列中等待，可以消除 HOL 阻塞問題，且使用前後移交佇列方式可以讓真正需要 移交連線可以優先進入前移交佇列中，降低移交連線斷訊 率。圖 10 為系統新連線阻塞率相對於連線到達率的比較，

在此方面我們可以清楚看到 No queuing 頻寬保留、FCFS 策略、及 DPQ 等三個方法結果都大約接近，這是因為這些 策略機制只著重於移交連線的處理，對於新連線的要求只

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

260 280 300 320 340 360 380

連線到達率 (calls/min) 系統移交連線斷訊率(%) No Queuing

FCFS DPQ AQPA

圖 9 系統軟式移交連線斷訊率相對於連線到達率的比較

0 5 10 15 20 25 30 35

260 280 300 320 340 360 380

連線到達率(calls/min) 系統新連線阻塞率(%)

No Queuing FCFS DPQ AQPA

圖 10 系統新連線阻塞率相對於連線到達率的比較

要有一個以上移交連線在佇列中等待，其後進入的新連線 不管需求資源的高低都一律拒絕，因此造成新連線阻塞率 普遍偏高的原因。而我們所提出的 AQPA 策略相對結果新 連線阻塞率降低很多，這是因為 AQPA 策略使用前後移交 佇列可以讓移交連線緩建連線，並減少不必執行移交的連 線同時間佔用雙倍或三倍頻寬的問題，將此資源留給其他 真正急需移交的連線及新連線使用。另外我們採取剩餘價 值的策略，由不同的流量型態找尋系統中是否有可以利用 的剩餘頻寬，因此，可以降低不同型態流量造成新連線 HOL 阻塞的問題，提高使用者有效資料輸出率。

圖 11 為系統總連線拒絕率(包括 handoff call 及 new call)，AQPA 的表現相較於 No queuing 頻寬保留、FCFS、

及 DPQ 的方法來得好，可降低10%以上的連線拒絕率；

AQPA 緩建鄰近蜂巢式細胞行動台的軟式移交連線，讓真 正急需移交的連線有最高優先權，加上採用剩餘價值策 略，讓部分新連線可以進入系統接受服務，因此系統可接 受更多的連線需求，所以 AQPA 方法的表現最佳。

我們觀察圖 12 的系統總頻寬使用率及圖 13 從使用者

觀點之有效資料輸出率。在圖 12 系統總頻寬使用率中，我

們可以明顯發現四種方法所使用的總頻寬相當接近(相差

小於4%)，這表示四種方法所消耗系統總資源的量在伯仲之

間。而從圖 13 使用者觀點之有效資料輸出率四種方法所獲

得的結果，則有較顯著的差別；其中 AQPA 方法的有效資

料輸出率最高，No queuing 頻寬保留、FCFS、及 DPQ 機制

差不多。因為在 MC-CDMA 軟式移交的機制中，行動台與

0 5 10 15 20 25

260 280 300 320 340 360 380

連線到達率(calls/min) 系統整體連線拒絕率(%)

No Queuing FCFS DPQ AQPA

圖 11 系統總連線拒絕率相對於連線到達率的比較

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

260 280 300 320 340 360 380

連線到達率(calls/min) 頻寬使用率(%)

No Queuing FCFS DPQ AQPA

圖 12 系統總頻寬使用率相對於連線到達率的比較

基地台在進行連線時，會佔用基地台的資源，而移交區域 中的行動台會同時與二個以上基地台做連接，也因此會佔 用整個系統內的二倍以上的基地台資源。若以資料量傳輸 的觀點而言，實際上行動台只傳送一份資料量給多個基地 台或從多個基地台接收到一份資料量。換句話說，系統總 移交連線數量直接影響系統的輸出率，因此圖 13 的系統有 效資料輸出率是站在行動台實際由基地台接收或傳送到資 料量的觀點來呈現。從圖中可看出，當移交連線愈多時，

使用者同時佔用雙倍的資源越嚴重。AQPA 方法採用前後 移交佇列方式，讓一些不急需移交的連線可以緩建連線，

甚至可以避免建立連線(因為移交連線有可能於移交過程 中就結束談話或傳送資料完成而終止連線，此時如果原基 地台訊號較新基地台強而建立連線，則是浪費新基地台系 統資源)。因此，AQPA 的有效資料輸出率較高。

綜觀以上各項效能指標的表現及分析說明，可了解我 們所提的 AQPA 機制能夠有效改進因佇列所產生 HOL 阻塞 的現象，減少不急需移交的連線進入，有效提高系統有效 資料的輸出率及降低行動台的軟式移交斷訊率和新連線阻 塞率，來解決移交過程資源不足的問題。

0 50 100 150 200 250 300 350

260 280 300 320 340 360 380

連線到達率(calls/min) 系統資料輸出率 (Mbps)

No Queuing FCFS DPQ AQPA

圖 13 從使用者觀點之系統有效資料輸出率相對於連

線到達率的比較

六、結 論

無線網路使用 MC-CDMA 的技術利用佇列優先權的觀 念來解決移交斷訊率過高的問題。一個好的佇列演算法是 很重要的，如果佇列演算法沒有效率反而是造成資源的浪 費，從 No queuing 頻寬保留策略與 FCFS 的模擬結果可以 清楚比較出來。我們所提的 AQPA 的策略，利用不同交通 流量型態的特性，完全防止因為 HOL 造成的阻塞問題，更 利用前後移交佇列的觀念減少不需立即移交的連線佔用雙 倍以上資源的現象。另外加上剩餘價值的策略運用讓更多 新連線可以進入系統接受服務。從總體而言，AQPA 的策 略降低行動台在越區移交過程中遭斷線的比率及新連線的 阻塞率，有效提高資料的輸出率。AQPA 可提供不同的使 用者多樣性服務，達成無線通訊網路無縫隙的通訊品質保 證，適合於下一代無線寬頻網路使用。

誌 謝

承蒙行政院國科會補助本研究部分經費(NSC 94-2218- E-231-002)，特此致謝。

參考文獻

1. 3GPP2 Specifications STANDARD, “CDMA2000 1xEV-DV Evaluation Methodology-Addendum (v6),”

3GPP2 WG5 Evaluation Ad Hoc (2001).

2. Chien, F. -T., Hwang, C. -H., and Kuo, C. -C. J., “Per- formance Analysis of Multicarrier CDMA Systems with Frequency Offsets and Random Spreading under Optimum Combining,” IEEE Transactions on Communications, Vol.

54, No. 4, pp. 737-747 (2006).

3. Kunnari, E., and Iinatti, J., “Performance Analysis of Mul- tirate MC-CDMA in Rayleigh-Fading Channels with De- lay Power Spectrum Exceeding the Guard Interval,” IEEE

Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 24, No.

3, pp. 542-553 (2006).

4. Guo, D., “Performance of Multicarrier CDMA in Fre- quency-Selective Fading via Statistical Physics,” IEEE

Transactions on Information Theory, Vol. 52, No. 4, pp.

1765-1774 (2006).

5. TIA/EIA Interim Standard, “Upper Layer (Layer 3) Sig- naling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems,”

TIA/EIA/IS-2000-5 (1999).

6. Wang, Z., and Mathiopoulos, P. T., “On the Performance Analysis of Dynamic Channel Allocation with FIFO Handover Queuing in LEO-MSS,” IEEE Transactions on

Communications, Vol. 53, No. 9, pp. 1443-1446 (2005).

7. Moon, J. -M., Yun, M. -Y., and Kim, S. -H., “Measure- ment-Based Predictive Admission Control for Mobile QoS in DiffServ Networks,” IEICE Transactions on Communi-

cations, Vol. E89-B, No. 7, pp. 2023-2032 (2006).

8. Andrew, L. L. H., “Measurement-Based Band Allocation in Multiband CDMA,” IEEE Transactions on Wireless

Communications, Vol. 4, No. 7, pp. 475~483 (2005).

9. Huang, L., Kumar, S., and Kuo, C. -C. J., “Adaptive Re- source Allocation for Multimedia QoS Management in Wireless Networks,” IEEE Transactions on Vehicular

Technology, Vol. 53, No. 2, pp. 547-558 (2004).

10. Chang, R. -S., and Leu, S. J., “Handoff Ordering Using Signal Strength for Multimedia Communications in Wire- less Networks,” IEEE Transactions on Wireless Commu-

nications, Vol. 3, No. 5, pp. 1526-1532 (2004).

11. Seo, J. -B., Lee, S. -Q., Park, N. -H., Lee, H. -W., and Cho, C. -H., “Queueing for Handover Calls in a Hierarchical Cellular Network,” 2004 IEEE 60th Vehicular Technology

Conference, Los Angeles, CA, USA,

Vol. 7, pp.

5165-5169 (2004).

12. Chung, S. -P., and Li, M. -T., “Performance Evaluation of Hierarchical Cellular CDMA Networks with Soft Handoff Queueing,” IEEE Transactions on Vehicular Technology,

Vol. 54, No. 2, pp. 652-672 (2005).

13. Shang, D., Ni, L., and Zhang, P., “A Dynamic Priority Reservation Queue Scheme for Handover in Mobile Cel- lular Systems Supporting Multi-Rate Traffics,” 14th IEEE

Proceedings on, Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC 2003, Beijing, China, Vol. 2 , pp.

1461-1465 (2003).

14. Xhafa, A. E., and Tonguz, O. K., “Dynamic Priority Queueing of Handover Calls in Wireless Networks: An Analytical Framework,”

IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 22, No. 5, pp. 904-916 (2004).

15. Nguyen, H. N. and Sasase, I., “Downlink Queuing Model and Packet Scheduling for Providing Lossless Handoff and QoS in 4G Mobile Networks,” IEEE Transactions on Mo-

bile Computing, Vol. 5, No. 5, pp. 452-462 (2006).

16. Wei, Y., Lin, C., Jin, X., Raad, and Ren, R. F., “Dynamic Channel Allocation for Mobile Cellular Systems Using a Control Theoretical Approach,” IEICE Transactions on

Communications, Vol. E89-B, No. 2, pp. 621-624 (2006).

17. Lee, B.-H., Chen, H.-P., and Huang, S.-S., ”Dynamic Re- source Allocation for Handoff Using MC-CDMA in Wire- less ATM Networks,” IEE Proceedings Communications, Vol. 152, No. 5, pp. 729-736 (2005).

18. Akyildiz, I. F., Levine, D. A., and Joe, I., “A Slotted CDMA Protocol with BER Scheduling for Wireless Mul- timedia Networks,” IEEE/ACM Transactions On Net-

working, Vol. 7, No. 2, pp. 146-158 (1999).

19. Garg, V. K., Wireless Network Evolution 2G to 3G, Pren- tice Hall, pp. 219-256 (2002).

20. Etoh, M., and Yoshimura, T., ”Wireless Video Applications in 3G and Beyond,” IEEE Wireless Communications, Vol.

12, No. 4, pp. 66-72 (2005).

21. Rappaport, T. S., Wireless Communications: Principles

and Practice, 2nd, Prentice Hall, pp. 621-650 (2001).

2006 年 09 月 12 日 收稿 2006 年 09 月 18 日 初審 2007 年 01 月 06 日 複審 2007 年 01 月 29 日 接受