無線 ATM 網路軟式移交之訊務轉載研究
黎碧煌 陳信北 黃史舜 蔡孟哲
國立台灣科技大學電機系
摘 要
在無線ATM(asynchronous transfer mode)行動通訊中，某個蜂巢式細胞內 突然湧入許多使用者，將會造成此蜂巢式細胞的基地台訊務過載，形成所謂的 熱點細胞(hot-spot cell)，而鄰近蜂巢式細胞可能處於輕載狀態，造成系統訊務 負載不平衡現象。由於頻寬資源是有限且共享的，因此為了使有限的頻寬資源 更有效地使用，我們利用行動台越區移交的機制來減緩訊務負載不平衡的現 象。本文提出一個適用於軟式移交(soft handoff)的完整性訊務轉載演算法 (complete traffic shedding algorithm; CTSA)，藉由調整移交門檻參數來有效地降 低蜂巢式細胞基地台的負載。實際上我們是減少過載蜂巢式細胞的移交區域範 圍，並不是調整蜂巢式細胞基地台傳輸功率。位於過載蜂巢式細胞邊緣附近的 使用者能夠提早移交到鄰近輕負載的蜂巢式細胞，並延後鄰近蜂巢式細胞的使 用者進入過載熱點細胞，來達到減輕負載的效果。最後，透過模擬的方式與其 他已提出的方法互相比較。CTSA 演算法確實使輸出率(throughput)提高、軟式 移交斷訊率(call dropping ratio)、新連線阻塞率(blocking ratio)及系統連線拒絕 率(call refusing ratio)顯著降低。
關鍵詞：無線ATM、熱點細胞、訊務轉載、軟式移交。
STUDY ON TRAFFIC SHEDDING FOR SOFT-HANDOFF IN WIRELESS ATM NETWORKS
Bih-Hwang Lee Hsin-Pei Chen Su-Shun Huang Mong-Jer Tsai Department of Electrical Engineering,
National Taiwan University of Science and Technology, Taipei, Taiwan 106, R.O.C.
Key Words: wireless ATM, hot-spot cell, traffic shedding, soft handoff.
ABSTRACT
In wireless ATM(asynchronous transfer mode)mobile communications,
an abrupt increase of mobile users in a specific cell will cause traffic over-
loaded, creating so-called hot-spot cell. The neighboring cells may be in
light traffic-load condition; this situation causes an unbalanced traffic-load
distribution in the system. However, the spectrum is a limited resource. In
order to utilize the spectrum more efficiently, we make use of mobile
handoff strategies to alleviate unbalanced traffic-loads. This paper proposes
a complete traffic shedding algorithm (CTSA) for soft handoff to effi-
ciently alleviate overloaded traffic in a cell by adjusting handoff parameters.
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技術學刊 第二十卷 第三期 民國九十四年The proposed algorithm virtually reduces the service coverage of heavily loaded cells without adjusting the transmission power. The mobile users located in the outer area of the heavily loaded cell site are early handed over to the neighboring cell carrying a light load and mobile users in neighboring cells have handoff to heavily loaded hot-spot cell delayed, so that the traffic-load of the heavily loaded cell is decreased. We compared the performance of other approaches with our scheme by simulation. The CTSA algorithm obviously increases system throughput and decreases the soft-handoff call dropping ratio, the new call blocking ratio, and the total call refusing ratio. The performance of CTSA is better than the other methods examined.
一、簡 介
近年來由於廣受歡迎的無線行動通訊技術蓬勃發展，
使得使用者與日俱增。在面對使用者所要求的服務種類多 樣化及服務品質(quality of service; QoS)要求更加嚴格的同 時，無線ATM 網路延伸有線 ATM 網路的優點可以達到此 服務要求。然而在無線通訊環境中，由於頻寬資源是有限 且共享的，並無法分配額外的頻寬，使得移交斷訊率及新 連線阻塞率升高許多。因此，為了使有限的頻寬更有效的 利用，各式各樣的移交方式在先前的研究中相繼被提出，
為了就是能夠讓使用者更平穩的在無線環境下進行通訊。
在CDMA 傳統的移交程序中，是利用固定的門檻參數來比 較量測引導訊號(pilot signal)[1,2]，然而這些參數是事先定 義且不變的值，在某些情況下並無法根據負載環境做適當 的動態調整。例如：大型的晚會活動或運動比賽等容易聚 集人潮之處，常常會因為人潮突然湧入，使得此區域的蜂 巢式細胞內使用者遽增，相較於其他週遭的蜂巢式細胞，
形成了不平衡訊務(unbalanced traffic)，我們通常稱此種蜂 巢細胞為熱點細胞(hot-spot cell)。此現象造成蜂巢式細胞 基地台的容量負擔，最糟的情況可能會使行動台無法建立 連線或造成連線中的行動台斷訊。然而當這種不平衡訊務 狀況發生時，一般CDMA 系統的傳統移交程序可能會遭受 到二種問題[3]：一是在熱點細胞內，如果有新的行動台想 要進行連線通訊，可能會因為蜂巢式細胞內基地台缺乏足 夠的頻寬資源而遭受到連線拒絕。另一個是鄰近蜂巢式細 胞內正在連線中的行動台，如果試圖進入此熱點細胞，移 交的過程中便可能會遭受阻斷，而降低通話服務品質。
為了解決以上的兩個問題，有很多相關研究提出，例 如：動態頻寬分配(dynamical channel allocation)[4]、動態 調整扇型區間(dynamic sectorization) [5,6]、利用微細胞 (micro-cell)與微微細胞(pico-cell)的架構組合概念來做頻道 分配[7-10]、利用調整蜂巢式細胞基地台的引導訊號(pilot signal)功率來調整服務範圍[11-13]、及動態調整移交門檻
值參數[3,14-16]等眾多議題。
利用微細胞與微微細胞的架構組合概念與動態調整扇 型區間，這些屬於階層式架構，把主控制區域再區分為次 區域，利用調整次區域的範圍來控制負載訊務，因此與我 們的WATM 網路蜂巢式細胞架構截然不同。另一解決方式 是調整蜂巢式細胞基地台的引導訊號功率[11-13]，此法是 利用CDMA 系統具有的功率控制(power control)特性，結 合CDMA 的軟式移交(soft handoff)程序，將基地台的引導 訊號功率減少，使得熱點細胞的服務範圍縮小，如此一來 便可將原本在蜂巢式細胞邊緣附近的行動台移交到其鄰近 訊務輕的蜂巢式細胞，達到平衡訊務的效果，我們稱此方 法為細胞縮小(cell shrinking)法。然而此法在蜂巢式細胞縮 小之前，必須先將其鄰近蜂巢式細胞的服務範圍擴大，如 此一來才不會因熱點細胞服務範圍縮小後，移交出去的行 動台遭受斷訊。這個方式使得基地台與基地台之間並無法 獨立運作，以及基地台對於訊務的變化無法做快速地反 映，易造成所謂的通訊死角(service hole)和增加移交程序失 敗的機率。動態調整移交門檻值參數的方法，對基地台本 身而言是可以完全自主獨立運作，演算法較簡單，可行性 較高。其中有可變門檻值移交機制(variable threshold soft handoff；VTSH)[15]，此法只調整一次參數，如果遇較大 過 載 情 況 就 改 善 有 限 。 增 強 式 移 交 機 制(enhanced soft handoff algorithm；ESHA)[16]，當熱點(hot-spot)發生時，
此法會不斷改變移交門檻值，沒有設定磁滯區間，容易造 成行動台的移交程序上發生乒乓效應，增加系統的負擔。
因此，本文提出完整性訊務轉載演算法(complete traffic shedding algorithm; CTSA)，探討當蜂巢式細胞的訊務發生 不平衡時，在不改變基地台的引導訊號功率前提下，讓基 地台獨立自主控制。透過訊務的變化有效地動態調整移交 機制中的門檻值，將熱點細胞邊緣的行動台提早移交到其 鄰近的輕載蜂巢式細胞，以及讓鄰近蜂巢式細胞的行動台 延後進入熱點細胞，這裡不須藉由調整鄰近蜂巢式細胞的 基地台引導訊號功率，就可以獨立完成平衡訊務的效果。
我們依據基地台內的頻寬使用率，提出一動態調整移交門 檻值的移交演算法，與現有所提的演算法[15-16]做比較，
圖 1 基本 CDMA 移交概念
期望使熱點細胞的行動台能夠快速的移交到其鄰近訊務較 輕載的蜂巢式細胞，並且讓訊務較輕載蜂巢式細胞中的行 動台延後移交進入熱點細胞中，解決不平衡訊務時所造成 的高移交斷訊率與連線拒絕率的問題。
二、CDMA 軟式移交機制
本節將詳細說明傳統 CDMA 移交機制的概念及現有 演算法在熱點狀態下的特點。
1. 基本的 CDMA 移交概念
CDMA 的基本移交程序中會牽涉到四個與引導信號 有關的移交參數[2,15]，分別為 T_ADD，T_COMP，有關 的移交參數[2,15]，分別為 T_ADD，T_COMP，T_DROP 和 T_TDROP。T_ADD 為引導信號偵測門檻值(pilot de- tection 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 meas- urement 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+T_COMP 時，基地台送一個移 交管理訊息(handoff direction message; HDM)給行動台。
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。現 在我們考慮一行動台從蜂巢式細胞 A(Cell A)建立起連線 其基地台為BSA，然後往蜂巢式細胞B(Cell B)其基地台為 BSB方向移動的過程，其移交機制的方式，如圖1 所描述 [1,2]。以下將詳細說明 T1 至 T7 的運作情形：
(一) 若 BSA的引導訊號強度大於T_ADD 門檻值時，行動 台會傳送一引導訊號強度量測的訊息PSMM 給 BSA， 並將此引導訊號從行動台的鄰近集合(neighbor set)
圖 2 引導訊號從候選集合移動到運作中集合
移入到候選集合(candidate set)內。此 PSMM 訊息包括 Ec/It 的估算值、到達時間、移交斷訊(handoff drop)時 間。
(二) 當此引導訊號 Pc強度大於T_ADD + T_COMP 門檻值 時，如圖2 所示，行動台會傳送 PSMM 訊息通知 BSA， 於是BSA會傳送一移交管理訊息HDM 給行動台，行 動 台 並 將此 引 導訊 號 從候 選集 合 加 入到 運 作集 合 (active set)內，開始與 BSA通訊。行動台接收到HDM 訊息後，會傳送一移交完成訊息(handoff completion message; HCM)來回覆 BSA。此HDM 訊息包括 HDM 的序列號碼(sequence number)、CDMA 通道頻率分配 (channel frequency assignment)、運作集合中引導訊號 的PN 碼偏移量(PN offsets)、在運作中集合與引導訊 號有關聯的Walsh code、移交參數(T_ADD, T_DROP, T_COMP, T_TDROP)等訊息。
(三) 當行動台往 Cell B 方向移動，並偵測到 BSB的引導訊 號強度大於 T_ADD 門檻值，於是行動台會傳送一 PSMM 的訊息給 BSB，並將此引導訊號加入到行動台 的候選集合內。
(四) 當 BSB的引導訊號強度大於T_ADD + T_COMP 門檻 值時，行動台會傳送PSMM 訊息通知 BSB，如果BSB
有足夠資源則允許行動台連線，BSB會傳送移交管理 訊息HDM 給行動台，並啟動移交程序，行動台並將 此BSB引導訊號加入到運作中集合內，開始與BSB通 訊。此時行動台同時與BSA及BSB連線通訊中。如果 BSB有沒有足夠資源給行動台，BSB不會傳送移交管 理訊息HDM 給行動台，而行動台會一直傳送 PSMM 訊息通知BSB需要移交。
(五) 當 BSA的引導訊號強度低於T_DROP 門檻值時，表示 行動台即將移出Cell A，往 Cell B 的方向移動，此時 行動台開始啟動移交中斷計時器(handoff drop timer)。
(六) 當計時器到達 T_TDROP 門檻值時，行動台會送出一 PSMM 訊息給 BSA。
282
技術學刊 第二十卷 第三期 民國九十四年圖 3 訊務轉載概念圖
(七) BSA送出 HDM 訊號給行動台，而此訊號內並不包含 任何相關的訊息。行動台接收到BSA發送的HDM 訊 息後，會傳送HCM 訊息來回覆 BSA，而原本在運作 集合內的引導訊號會被移到鄰近集合內，行動台終止 與BSA通訊。
2. 現有演算法特點說明
本節簡單說明傳統移交機制、可變門檻值移交機制、
增強式移交等演算法在熱點狀態下的特點：
(一) 傳統移交機制(conventional soft handoff; CSH) 移交的門檻參數不會隨著行動台的訊務負載做變化，
移交區域範圍大小永遠是固定不變，故當發生熱點問 題時，行動台會因系統資源不足而遭受到高的連線拒 絕率。
(二)可變門檻值移交機制(variable threshold soft handoff;
VTSH)
亦即當熱點問題發生時，只調整移交區域範圍一次，
若調整後，系統的訊務負載並未減輕，則不再進行調 整的動作，直到熱點問題消失後，才會將移交區域範 圍調整至原本大小。此法最大的缺點，在於負載過重 時，其轉載到鄰近周圍行動台的使用者有限，無法有 效地減輕負載。
(三) 增強式移交演算法(enhanced soft handoff algorithm;
ESHA)
ESHA 方法在訊務負載到達發生熱點的門檻值時，便 開始動態調整移交區域，而且當發生熱點後，由於 ESHA 會不斷地根據負載變化來調整移交區域，使得 基地台必須不斷的廣播更新行動台的移交門檻參數，
容易讓行動台發生乒乓效應，易造成系統上的負擔，
所謂乒乓效應是指因移交門檻參數的變化太劇烈使行 動台在數秒之內可能來回於移交門檻值之間，造成要 求連線與未達連線要求之間變化。
圖 4 移交區域變化與轉載變化量示意圖
三、訊務轉載演算法
由於基地台對於傳送各種不同位元錯誤率要求的封包 資料會有不同等級的傳送功率，且不同位元錯誤率要求的 封包會影響每個時槽排程時的大小容量。因此，若是同 WATM 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，行動台則在這些蜂巢式細 胞間移動。理想上，這些蜂巢式細胞間的訊務密度(traffic density)理當呈現相似(homogeneous)，然而實際環境中往往 不是如此，某些地理範圍可能會因為時間上的差異，發生 擁塞的現象，使得訊務密度遽增而超過蜂巢式細胞基地台 所能容納的容量(capacity)。相形之下與其鄰近的蜂巢式細 胞相比，便產生了所謂的不平衡訊務。本節將詳細說明與 分析CTSA 演算法運作流程及與移交門檻的關係。
1. 訊務轉載概念
在CDMA 存取技術的環境下，移交的門檻值和移交區 域的範圍是事先固定的值，並無法根據環境等外在因素做 適當的動態調整。在處理熱點細胞的問題上，若能將熱點 細胞內的行動台提早移交至鄰近負載輕的蜂巢式細胞，並 且延後欲進入熱點細胞的行動台時間，如此便能有效解決 因熱點問題所導致的資源不足，這就是訊務轉載(traffic shedding)概念。圖 3 是訊務轉載的概念圖，假設 Cell A 是 熱點細胞其基地台為BSA，我們降低移交參數T_ADD 及 提高T_DROP，使得軟式移交區域向 Cell A 內圈移動，其 中T_ADDj及T_DROPj為第
j 次轉載後的值。根據以上的
概念，若能將移交門檻值依據基地台內的訊務負載狀況做 適當的調整，使得熱點細胞內的行動台，其進入鄰近蜂巢 式細胞的T_ADD 門檻值降低、離開熱點細胞的 T_DROP 門檻值提高[23,24]，如此一來行動台便可提早進入鄰近的 蜂巢式細胞而釋放在熱點細胞所佔用的資源；另外，我們 增加了鄰近蜂巢式細胞的行動台延後進入熱點細胞的時間 機制，將於下節詳細說明。根據訊務轉載概念，我們必須說明轉載機制、回復機
圖 5 Cell B 為熱點細胞之引導訊號變化圖
制、轉載變化量之操作。轉載機制的執行就是要降低熱點 細胞服務範圍內行動台的 T_ADD 門檻值，以及提高 T_DROP 門檻值，使熱點細胞內欲移交的行動台提早移交 到鄰近蜂巢式細胞，以達到減低熱點細胞的訊務負載的動 作。回復機制則是當熱點細胞的訊務負載經過一段時間 後，從原本的擁塞狀態恢復成輕載時，必須將原本在轉載 機制中調整過的T_ADD 門檻值及 T_DROP 門檻值恢復，
使行動台移交的時機回復正常，防止行動台提早移交至週 邊熱點細胞，發生不必要的移交，降低週邊熱點細胞的擁 塞情況。當發生轉載機制時，必須調整移交門檻值，每次 轉載所需調整的門檻值變量與其相對應的服務範圍稱做轉 載變化量(shedding rate; SR)[12]。圖 4 為移交區域變化與轉 載變化量示意圖。
2. CTSA 演算法程序
在決定服務半徑與轉載變化量的關係之前，我們假 設：系統每一個蜂巢式細胞內使用者在地理位置上是均勻 分布，且熱點細胞的使用者密度高於其他鄰近蜂巢式細胞 的使用者密度。同時，根據圖4 移交區域變化與轉載變化 量示意圖，一個蜂巢式細胞範圍的外接圓服務半徑為
R
0， 其內接圓服務半徑為R
h。為了分析本演算法，以下定義幾 個參數：(一) ρ 是蜂巢式細胞基地台的訊務負載，其定義如下所示。
ρ=
基地台總頻寬( ) ) 基地台使用頻寬(Total Usage
BW W
B
(1)(二) α 為訊務轉載的門檻值，當 ρ > α 時，訊務轉載機制開 始執行。
(三) γ 為回復機制的門檻值，當 ρ < γ 時，回復機制開始執 行。
(四) β 為調整後上限值，當轉載機制發生後，訊務負載值 ρ 由
α 調整至 β。其中 β 介於 α 與 γ 之間。
(五) η 為調整後的旗標(flag)，當轉載機制被執行時設為 1。
(六) rj為執行第
j 次轉載機制後，蜂巢式細胞服務範圍的半
徑。(七) Tdur為蜂巢式細胞基地台在固定週期內檢查系統負載 是否低於門檻值
γ 的時間值。
因此，我們計算出轉載機制中每次的轉載變化量
SR
j，如 式(2)所示。SR
j = 2) 1 ( −
j
α β
×
−
21
1
α
β
× Ro (2)
在演算法中，將配合基地台的訊務負載變化，依據式 (2)所示的轉載變化量，適當地動態調整移交區域的範圍，
以達成訊務轉載的目的。以下將先探討訊務轉載機制、回 復機制的核心原理，以及延後行動台進入熱點細胞時間機 制。
(一) 訊務轉載機制
步驟一：基地台判斷系統內的訊務負載是否超過α 門 檻值，若是，則轉載機制開始執行。
步驟二：基地台根據轉載變化量，計算出移交區域縮 小後的服務半徑。
步驟三：若縮小後的服務半徑小於內接圓半徑
R
h，則 將服務半徑設為內接圓的半徑R
h。 步驟四：執行一次訊務轉載機制後，將η 值設為 1。
步驟五：將調整後的服務半徑，其相對的移交門檻參 數廣播給行動台更新。
其對應的虛擬碼如下：
if ( ρ > α )
r
j = rj-1 – SRjif ( rj < Rh )
r
j = Rh end if set η = 1 end if(二) 回復機制
步驟一：基地台會以一個
T
dur的時間，週期性判斷系 統內的訊務負載是否低於γ 門檻值，並且檢
查是否曾經因為轉載機制而縮小，若這些條 件成立的話，則回復機制開始執行。步驟二：基地台根據轉載變化量，將服務範圍回復至 上一次轉載後的服務範圍。
步驟三：若調整後，服務半徑達到外接圓半徑
R
0，則 將η 值設為 0。
步驟四：將調整後的服務半徑，其相對的移交門檻參 數廣播給行動台更新。
其虛擬碼如下：
284
技術學刊 第二十卷 第三期 民國九十四年圖 6 Cell A 與 Cell B 皆是熱點細胞時之引導訊號變化圖
if ( ρ < γ and η = 1 )
r
j = rj-1 - SRjif rj > R0
r
j = R0set η = 0 end if end if
(三) 延後行動台進入熱點細胞時間機制
行動台若偵測到鄰近新的蜂巢式細胞基地台引 導訊號強度大於T_ADD + T_COMP 門檻值時，會送 出 PSMM 訊息通知新蜂巢式細胞基地台，此 PSMM 訊息包含一移交中斷計時器的資訊[2]，這個資訊表示 行動台與原本連線的舊蜂巢式細胞基地台還剩多少 時間會斷訊，因此新蜂巢式細胞基地台可以透過此資 訊來控制何時加入此行動台，以防止此連線中的行動 台遭受斷訊。考慮一行動台從Cell A 建立起連線其基 地台為BSA，然後往Cell B 其基地台為 BSB方向移動 的過程中，與BSB移交的時機。
(1) 若只有 Cell B 為熱點細胞：
如圖5 所示，正常情況行動台在(4)時，由於 BSB的引導訊號強度大於T_ADD + T_COMP，行 動台會再送出PSMM 訊息給 BSB，BSB有足夠的 資源可分配給行動台，則加入此行動台；如果Cell B 為熱點細胞情況，可配合 PSMM 內的斷訊時間 值與BSB內的資源，來控制發送HDM 訊息給行 動台的時機，讓行動台延後加入到Cell B，其延 後範圍介於T5 至 T7 之間。也就是在 T5 發生時，
行動台送出的 PSMM 訊息內的移交斷訊時間值 大於零，如果此時BSB有足夠的資源可分配給行 動台，則加入此行動台；若資源不足的話，則BSB 繼續延後行動台的加入，直到T7 行動台在 BSA
的移交中斷計時器計數終了。因此，如果行動台
轉載機制
行動台連線請求 開始
行動台 將調整後的移交門
檻廣播給行動台 α ρ≥
回復機制 Time ≧ Tdur &
= 1 &
否
否 是
是
更新移交門 檻參數
進行移交 程序 結束
γ ρ≤
否
是
h η
j R
r ≤
圖 7 CTSA 流程圖
的引導信號強度介於T4 至 T5 之間，BSB暫不加 入此行動台，以節省資源。
(2) Cell A 與 Cell B 皆是熱點細胞
如圖6 所示。在此我們把 Cell B 區分兩種狀 態，一是成為熱點細胞前的狀態，用HSB表示。
另一是成為熱點細胞後的狀態，用HSA表示。由 於Cell A 是熱點細胞，所以將移交門檻值動態調 整為T_ADDj與T_DROPj，故原本T3 至 T7 的發 生點移到T3'至 T7'。當 BSB還是HSB狀態時，當 行動台在 T4'時，由於 BSB的引導訊號強度大於 T_ADD + T_COMP，行動台會送出 PSMM 訊息 給BSB，此時BSB會讓行動台加入，其軟式移交 區域介於T4'至 T7'為止。當行動台的 BSA的引導 訊號減弱到達 T7'時就完全移交至 BSB管轄。當 Cell B 成為 HSA狀態時，BSB必須配合行動台送 出的PSMM 訊息內的斷訊時間值與 BSB內的資 源，來控制何時發送HDM 訊息給行動台，讓行 動台延後加入到BSB的管轄範圍，其軟式移交的 範圍介於T5'和 T7'之間。也就是當行動台在 T4' 時BSB暫不讓行動台加入。直到在 T5'發生時，
如果此時BSB有足夠的資源可分配給行動台，則 加入此行動台；若資源不足的話，則BSB繼續延 後行動台的加入，直到 T7'行動台在 BSA的移交 中斷計時器計數終了前。所以當BSA與BSB皆是 熱點細胞時其軟式移交的範圍縮小介於T5'和 T7' 之間。
圖 8 移交門檻值相對於轉載機制執行次數
(四) 連續長時間及多個相鄰基地台負載不平衡現象 如果不平衡負載情況發生在多個相互鄰近的基 地台當中時，且發生的時間連續一日以上，由於多個 相互鄰近的基地台移交區域的縮小，可能會造成所謂 的通訊死角，必須設法配合低功率的輔助基地台方 式，暫時設置於多個相互鄰近的基地台之間相鄰之 處，把通訊死角的涵蓋面積降至最低，有效降低負載 不平衡現象，減少通訊上的錯誤發生。啟動輔助基地 台的條件有二：一是鄰近蜂巢式細胞皆為熱點狀態 時，另一是某一個基地台故障無法運作時。輔助基地 台可以降低負載不平衡及兼具備援的功能。圖 7 為 CTSA 演算法之處理流程示意圖。下節將說明轉載機 制和回復機制調整後的服務半徑之移交門檻值。
3. 服務半徑與移交參數之關係
一 般 陸 上 行 動 台 與 基 地 台 之 間 的 信 號 傳 播 模 型 (propagation model)中，行動台接收來自於 BSi的信號強度
L
i(ri, ζ
i)如式(3)所示[14,25,26]：(
i i)
im 10 ii
10 r p , r L
ζ =
ζ (3)其中
p：代表基地台功率常數值。
r
ί：代表行動台與BSi的距離。m：代表路徑損失的成分(path loss exponent)以及多重
路徑衰減(multi-path fading)效應。ζ
ί： 代 表 基 地 台 與 行 動 台 之 間 的 遮 蔽 效 應(shadow fading)，假設其信號的衰減呈高斯分布，其平均 值為0，變異數為 σ。我們將式(3)使用對數表示後可以得到式(4)：
L
i(ri,ζ
i)(dB)=10log p+10mlogri+ζi (dB) (4)如圖6 所示，假設行動台從 Cell A 其基地台為 BSA往 Cell B 其基地台為 BSB的方向進行越區移動，而Cell A 目
前發生熱點問題，透過轉載機制的啟動而調整移交門檻 值，行動台因此延後進入Cell A 的範圍，以及使 Cell A 邊 緣的使用者提早移交至Cell B，而減緩擁塞的情況。因此，
行動台在移交的過程中不外乎是離開本身所在蜂巢式細胞 範圍，或者是進入其他蜂巢式細胞範圍，根據訊務轉載的 概念，行動台量測到基地台的引導訊號必須滿足(5)、(6) 式的條件：
(一) 在 Cell A 中的行動台進入鄰近 Cell B 範圍，並與其連 線
L
B(dB)>T_ADDj+T_COMP=T_ADD−∆T_ADDj+T_COMP (5)
(二) 行動台離開 Cell A 的範圍，並與其斷線L
A(dB)<T_DROPj=T_DROP + ∆T_DROPj (6)其中
∆T_ADD
j、∆T_DROP
j、代表第j 次發生轉載機制後，移交門檻值的調整量。
由式(4)可得到 ∆T_DROPj如下：
∆T_DROP
j=(10log p+10mlog rj
+ς
A)−(10log p+10mlog R
0+ ς
A)
=10mlog
R
or
j(7)
透過轉載機制演算法可知
r
j=r
jR
oj 2 2
1
1
=
−
α β
α β
(8)將(8)式代入(7)式可得到 ∆T_DROPj 如下：
∆T_DROP
j=10mlog
o j
R
r =10mlog
R
oR
oj 2
α β
=5jmlog
α β
(9)同理可得到
T
_ADD
j如下：∆T_ADD
j=5ωjmlog
α
β
(10)此處的ω 是一個權值，其值須介於 0 與 1 之間 (0≦ω≦1)，
目的是為了讓
T_ADD
j +T_COMP 的值大於 T_DROPj，且 讓在熱點細胞的連線可以順利移交到鄰近基地台，如此才286
技術學刊 第二十卷 第三期 民國九十四年B Aj
P
→B Aj
P
→B Aj
P
→表一 系統參數
Parameters Values Base station service radius (m) 1000
Base station transmission bandwidth 9 Mbps Call arrival process Poisson distribution Guard channel for soft-handoff call 2%
α
0.95β
0.9γ
0.85ω
0.5Traffic load shedding parameters
T
dur 2 * (1/ call arrival rate)表二 不同訊務型態之參數
Item CBR VBR ABR
Average bit error rate 10-3 10-6 10-9 Average transmission rate 64 kbps 512 kbps 256 kbps Mean holding time 3 min. 10 min － Mean data size － － 3 Mbytes
能避免信號品質低於移交前，造成移交程序上的錯誤。將 (9)、(10)代至(5)、(6)式便可得到發生轉載機制後，調整的 移交門檻值為：
T_DROP
j = T_DROPj-1 + 5jmlog
α β
(11)T_ADD
j = T_ADDj−1 − 5ωjmlog
α β
(12)同理，當發生回復機制時，其門檻調整後的值亦可由上式 得到。
關於移交門檻參數值，我們使用
T_ADD + T_COMP =
-10dB、T_DROP = -16dB、m = -4、α = 0.95、β = 0.9。繪 出行動台移交門檻參數值T_ADD
j與T_DROP
j 對轉載機制 次數變化情形，如圖8 所示。當負載訊務不平衡情況愈嚴 重，轉載機制執行次數會越多。4. 熱點細胞轉載分析
當 Cell A 為熱點細胞時，行動台依據 CTSA 程序由 Cell A 成功提早移交至鄰近 Cell B 時，必須符合下列條 件。在行動台中的運作集合BSB引導訊號須
L
B> T_ADD
j +T_COMP，BS
A引導訊號須L
A > T_DROPj。提早移交成功 後在這轉載區間的行動台它的BSB引導訊號L
B > T_ADDj + T_COMP，而 BSA 引導訊號介於 T_DROPj > LA >T_DROP。因此，我們可得到行動台在轉載區間提早移交
的機率 A Bj
P
→ 如式(13)所示：圖 9 WATM 蜂巢式系統網路模型
= Pr{LB>T_ADDj +T_COMP,T_DROPj >LA>T_DROP}
= Pr{LB>T_ADDj+T_COMP}×Pr{T_DROPj>LA>
T_DROP} (13) 將式(11)及(12)代入式(13)可得到式(14)
> >
+
×
−
+
>
→
=
DROP _ T L log jm 5 DROP _ T P
log jm 5 COMP _ T ADD _ T L P P
A r
B r B Aj
α β α
ω β
(14) 將式(4)代入式(14)得到
=Pr{ζB>T_ADD+T_COMP−5ωjmlog
α β
− 10logp−10mlogrB}×Pr{T_DROP+5jmlog
α
β
−10logp−10mlogrA>ζA>T_DROP−10logp−10mlogrA} (15)
令
M
A=T_DROP−10logp−10mlogrAM
B=T_ADD+T_COMP−10logp−10mlogrB (16) 將式(16)代入式(15)，我們可以得到式(17)=Pr
−
> ω α β
ζ
BM
B 5jm
log ×P
r
> >
+
A AA
jm M
M ζ
α β
log5 (17)
表三 各演算法優劣點比較
演算法 CSH VTSH ESHA CTSA
額外成本 無 低 高 中
乒乓效應 無 無 可能發生 無
輸出率 無 低 中 高
系統移交斷訊率 高 低 較低 最低 系統連線拒絕率 高 中 低 最低
圖 10 系統總頻寬使用率相對於連線到達率的比較
圖 11 從使用者觀點之系統總輸出率相對於連線到達
率的比較
式(17)可使用 Q 函數以得到轉載區間行動台軟式移交機 率，如式(18)所示：
B Aj
P
→ = Q
−
σ
β α ω
log 5jm M
B×Q
σ
AM
+
− σ
β α log jm M
Q
A5
1 (18)
Q 函數定義如下：
Q(y)=
2/22
1 x
y∞
e
−π ∫ dx=
/22
2
1 y x
e
−−
∞
∫
−π dx
一個基地台服務半徑為
R
0，其服務總面積是π R 。假設在
02基地台的服務範圍中使用者的單位密度值為
ρ
cj，在熱點細 胞轉載區域中可提早移交行動台使用者數量為N
user = πR
02×
ρ
cj ×B Aj
P
→ 。我們假設每一個使用者要求頻寬為BW
avg， 在熱點細胞狀態下執行CTSA 轉載機制後可以再使用頻寬為
BW
reuse，如式(19)所示。BW
reuse= BWavg ×π R × ρ
02 cj ×P
Aj→B (19)完整性訊務轉載演算法中，當熱點發生時，移交區域 範圍會根據負載的變化做「適時」地調整，並不會像ESHA 不斷地更新移交門檻值，且調整的幅度有一個範圍值，不 會發生乒乓效應，易不會造成系統上的負擔，且當輕載時 提供回復機制，可以回復原有服務範圍，另外提供鄰近基 地台中的行動台延後進入的判斷處理，故比起其他的方式 更能夠減輕負載擁塞的情況。
四、系統模擬與分析
本模擬針對CSH 方法、VTSH 方法、ESHA 方法以及我們 所提的CTSA 方法，就系統頻寬使用率(utilization)、從使 用者觀點所得的系統輸出率(throughput)、系統軟式移交斷 訊率(call dropping ratio)、新連線阻塞率(call blocking ratio) 及系統總連線拒絕率(call refusing ratio)等效能來分析探討 四種演算法彼此的差異性與優劣點。在模擬系統中，根據 無線ATM 網路架構，如圖 9 為例。假設在整個系統中有 兩個相鄰的Cell A 與 Cell B 是熱點細胞，它們的服務範圍 內行動台使用者之平均密度較高。其餘相鄰之八個細胞其 平均行動台使用者密度較低，屬一般細胞(general cell)。模 擬系統所使用的參數詳列於表一，而表二則列出不同訊務 型態之相關參數[27-29]。
首先，我們先觀察圖10 的系統總頻寬使用率及圖 11 從使用者觀點之系統總輸出率。我們可以明顯發現，在圖 10 系統總頻寬使用率部分四種方法所使用的總頻寬相當 接近（相差小於3%），這表示四種方法所消耗系統總資源 的量在伯仲之間。從圖11 使用者觀點之系統總輸出率四種 方法所獲得的結果，則有較顯著的差別；其中CTSA 方法 的系統總輸出率最高，ESHA 方法次之，CSH 方法最差。
因為在CDMA 軟式移交的機制中，行動台與基地台在進行 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繫，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，
288
技術學刊 第二十卷 第三期 民國九十四年圖 12 系統軟式移交連線斷訊率相對於連線到達率的
比較
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11 的系統總輸出率是站在 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，當基地台訊務負載從500 calls/min 開始便 發生熱點現象，由於CSH 並無轉載的功能，所以系統中的 移交連線數量最多，相較於其他方法其總輸出率最低。
VTSH 在負載變化越來越重的過程中，因為只調整一次移 交區域範圍，當負載再繼續增加時無法再有效調整轉載訊 務所以其改善的效果有限。由於 ESHA 在負載超過 70%
（即訊務負載從 350calls/min 開始）便開始動態調整移交 區域，而且當發生熱點情況後，ESHA 會不斷地根據負載 變化來調整移交區域，所以其服務範圍並未調整到最佳狀 態。我們所提出的CTSA 方法在熱點發生後會依負載情況 調整移交門檻參數，並等待一段期間，再根據負載的變化 進行再調整移交區域，並增加讓鄰近移交的行動台連線延 後進入熱點細胞的機制。整體而言，CTSA 方法確實能有 效的減輕蜂巢式細胞的擁塞問題。
從圖12 系統軟式移交連線斷訊率及圖 13 系統新連線 阻塞率四種方法的表現中，可以很清楚的看出我們提出的 CTSA 演算法能夠根據訊務負載的變化，適時地採取轉載 機制將移交連線提早完成移交，並且延後鄰近蜂巢式細胞 的行動台移交進入，因此能有效降低移交連線的數目，也 減少了軟式移交斷訊率。相對的將資源分配給新連線要 求，也降低新連線阻塞率。本系統有保留部分頻寬(2%)給 軟式移交連線使用，比新連線要求有較高優先權，所以新 連線阻塞率相對比軟式移交連線斷訊率來的高。在CSH 方 法中，當訊務負載越來愈重時，其移交斷訊率與新連線阻 塞率比起其他三種方法表現來得差，這是因為CSH 並無法 根據訊務負載動態調整移交門檻參數，所以當資源不足 時，要求軟式移交的連線數增多，勢必造成頻寬重複使用，
所以移交斷訊率與新連線阻塞率明顯升高；VTSH 表現的 又比ESHA 遜色些許，這是因為 VTSH 在訊務負載發生熱 點時，只調整一次移交區域範圍，但ESHA 可以根據負載
圖 13 系統新連線阻塞率相對於連線到達率的比較
的變化做多次的調整，故效能上明顯比VTSH 來得好。
表三為各演算法優劣點比較。其中 ESHA 演算法比 CHS 及 VTSH 演算法之轉載流量較高且系統移交斷訊率比 較低。但相對所需額外成本也以較高，因為它每一個連線 都需要做一次移交門檻的計算與廣播，因此有可能發生乒 乓效應。CTSA 演算法雖然比 CHS 須增加額外成本(其額 外成本比ESHA 來的低)，其可以防止乒乓效應發生，也大 幅增加轉載流量並降低系統移交斷訊率。由模擬結果可以 清楚比較出來。
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CTSA 機制在發生不平衡訊務時，能夠有效改進 因擁塞狀況所產生資源不足的現象，有效提高系統輸出率 及降低行動台的軟式移交斷訊率和連線拒絕率，來解決熱 點問題。
五、結 論
在本文中，主要針對WATM 行動通訊系統中，某個特 定蜂巢式細胞若行動台的使用者數量突然急遽增加時，所 造成的不平衡負載之問題探討。由於負載的快速增加，當 基地台的資源不足使用時，傳統的CDMA 移交程序使得行 動台連線遭受嚴重的拒絕率以及降低通話品質。因此，文 中透過改良傳統的移交機制，提出一個能根據訊務負載來 動態調整移交門檻值的方法，來改善系統發生不平衡負載 問題時所造成的問題。
從模擬結果的數據中可發現，由於CTSA 方法可藉由 負載的狀態，動態調整移交門檻參數，讓位於移交區域邊 緣的行動台使用者提早移交到鄰近蜂巢式細胞，並延後行 動台進入擁塞蜂巢式細胞，降低資源的浪費，減緩擁塞的 狀態。移交區域調整的幅度大小，及調整的頻率，可以影 響系統舒緩負載的程度，調整的幅度應適中，不可過大或 太小，因為調整的幅度過大會造成服務死角，調整的幅度 太小無法有效轉載擁塞蜂巢式細胞的訊務。相對的，能提 早移交到鄰近周圍的行動台就越多，系統便能獲得更多額
外的容量，降低行動台使用者的連線拒絕率；然而調整的 頻率雖然在系統的容量上並無明顯的影響，但基地台若是 太頻繁地廣播更新使用者的移交門檻參數，反倒是會影響 整個系統的效率，發生乒乓效應。
無線環境在有限的頻寬資源下，更應該讓頻寬資源可 以得到最有效率的使用。CTSA 方法比起其他方式在改善 不平衡負載的情況來得佳，因為它讓資源得到最適當的利 用。CTSA 方法可以讓基地台在熱點狀態下獨立運作，不 須依賴鄰近蜂巢式細胞的基地台提高引導訊號功率，所以 可以適時調整訊務負載。CTSA 演算法簡單且完整，它提 供轉載機制、回復機制，延後行動台進入熱點細胞的時間 判斷，及防止乒乓效應發生，動態調整控制不需額外成本，
可行性高。所以，CTSA 可適用於 WATM 的環境改善不平 衡負載的情況。
誌 謝
本研究承蒙行政院國科會補助部份經費，特此致謝。
（計畫編號：NSC92-2213-E-011-047）
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