Macrocell與Femtocell共存系統數據流量建模與阻隔機率計算

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國立臺灣大學電機資訊學院電機工程學系碩士論文

Department of Electrical Engineering

College of Electrical Engineering and Computer Science

National Taiwan University Master Thesis

Macrocell 與 Femtocell 共存系統數據流量建模與阻隔機率計算

Modeling and Blocking Probability Calculation of Data Traffic in Macrocell and Femtocell Coexistence

Networks

施懿瑄 Yi-Hsuan Shih

指導教授：張時中博士

Advisor: Shi-Chung Chang, Ph.D.

中華民國 101 年 10 月

October, 2012

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致謝

首先要感謝台灣大學電機工程研究所的栽培，提供我進修的機會，以及感謝指導教授張時中博士的諄諄教誨，使我無論在研究工作或是待人處世上都受惠良多，也使得本論文能夠順利完成。在此亦感謝口試委員：林宗男教授、黃天立博士、蔡志宏教授、魏宏宇副教授、魏學文教授提供寶貴的建議與指正，使得本論文更臻完善。本論文係由國科會計畫（編號 NSC9998-2221-E-002-138-MY3、

99-2219-E-002-004 與 100-2218-E-002-027-MY3）的部份支持下完成，特此致謝。

亦要感謝兩年多研究所期間Lab207 的夥伴們：To 輝哥，你去印度的經驗真的讓我印象深刻，希望有機會能聽你講在國外的經歷與故事；To 小高學姐，謝謝妳提供舒適的宿舍給我住，生活上也常有許多事情麻煩過妳，真是感謝妳的照顧(笑)；To 阿丞學長，研究上許多地方多虧有你的指教，適時給予我意見並一起討論讓我能漸入佳境；To 佳穎學姐，感謝妳的邀請，讓我有機會吃到 Rose &

Brownie 的玫瑰巧克力(笑)，希望妳在台中工作能順利；To 翰翰學長，研究上許多idea 都來自你，真是太感謝了；To 明儒，多謝你分享許多訊息與經驗，也謝謝你在研究上的協助，希望你在事業上能一飛衝天；To 石頭，很高興能有個學弟陪我聊得天花亂墜，祝你修課與研究上一切順利!To 松晏，平日看你總是超級認真!!讓我相形下總是慚愧，不過相信你是個非常能找出自己樂趣的學弟，有空可以跟大家一起瘋囉；To 中煒，你跟松晏一樣認真(笑)!!而且最近才知道你是馬拉松健將，哈，能有你三分之一運動精神就好了!另外也謝謝小招學長推薦的中醫以及眼鏡店，學長知識太廣了，幾乎什麼都可以跟你討論，也感謝跟你討論讓我在研究上更有頭緒；弘唯學長常有出遊的規劃，可惜還沒機會跟上你們安排的行程XD，希望你們兩位出國一切順利!不保常陪我逛街吃飯，有事沒事都可以找妳出來聊聊真的很開心，祝妳之後工作順利以及出國研究的計畫能盡快成行!問了你一堆關於工作資訊，感謝紫砂的分享囉!培耕，與妳跟不保好像常在不同活

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動(3Q 營等等)中不期而遇，而妳正向積極的意見也總是能讓我更勇往直前，祝妳研究上一切順利囉；另外感謝阿墨、nono、庭育學長能一起歡樂，佑政、佑榮學長當兵順利、憲憲跟庭瑋研究順利、逸群學長在國外能一帆風順、三位學弟勁璋、兆慶及蝌蚪，希望大家都能逐漸往自己的夢想更近一步

感謝助理小胖、晴涵以及姿宜總是給予研究生們適當的協助，讓我們能專心在研究上XD，能跟晴涵一起運動打籃球非常開心；姿宜籌畫了許多活動，讓實驗室成員參與，能融入真的非常歡樂。

由衷謝謝庭伊與田博，在我困頓徬徨的時候總是陪我聊天散心，並給予我正向的意見，祝兩位未來在工作上都能事事順心，也祝田博能順利達到你的夢想；

蚊子，有時能與妳聊聊生活及研究上趣事能帶給我歡樂，祝妳在工作上能闖出一片天；感謝三位室友的陪伴與關心，多虧了妳們，讓我在台北有個溫暖的落腳處。

最後要感謝我的父母在我研究過程中始終支持我，並給予鼓勵與肯定，謝謝所有家人的相伴，有你們的關心，我在這趟旅途上走得更加平穩、開心。

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i

摘要

毫微微細胞基地台(Femtocell)與巨細胞基地台(macrocell)共存系統是將來行動通訊的趨勢之一，本研究探討在無線端之連結流量需求、資源限制與數據服務效能間的關係，利用連結允入控制機制設計以作為頻寬配置決策的基礎。

具體的研究情境為一個有頻譜執照的電信業者，擁有 macrocell 及 femtocell 共存系統，用戶接取兩子系統進行數據服務，macrocell 訊務流量匯集至後端固網 Iu-ps 介面處，femtocell 訊務流量則匯集至 Iuh 介面以連結網際網路。Connection Admission Control(CAC)分別由 macrocell 子系統的 Radio Network Controller (RNC) 與 femtocell 子系統的 Femtocell GateWay (F-GW)執行，中心管理系統 Admission Control for Coexistence Coordinator (ACCC)統計並管制 macrocell 和 femtocell 用戶的訊務流量。無線資源會限制住來自macrocell 用戶之流量，新進之用戶連結需求會被RNC 阻隔，在 femtocell 亦同樣會被 F-GW 阻隔，而影響用戶的連網成功率。

針對用戶需求特性，假設用戶使用數據服務的行為與進行語音服務的產生雷同，以Poisson 隨機變數描述。連結流量分析模型採用何孟翰, 2011 所提出的以語音服務為基礎；數據服務流量成分包括macrocell 與 femtocell 子系統用戶的原始產生數據需求，以及因移動而由原子系統切換到另一子系統的數據需求流量，唯依據數據服務不同統計特性加以修改。數據連結流量具有不同的新進連結到達率，

且總連結數據流量到達率(包含新進連結與切換連結)依何孟翰, 2011 模型可以 Poisson 過程建模。在單一連結的特性方面，考慮用戶瀏覽網頁及觀看視訊服務，

依據T. C. Wang et al., 2003，我們使用指數分佈模型來描述連結的使用時間。系統 (基站)服務特性，WCDMA 技術以單一頻帶利用多個碼同時傳輸多個連結訊務流量，

核心網路採用分封交換，多工分享連網頻寬。連網瓶頸在無線接口的 Uu 介面

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ii

WCDMA 頻寬限制，使得各數據連結傳輸速率會因同時連結的數目而改變，此特性以Processor Sharing, PS 模型描述。實務上在 macrocell CAC 對接入網路的數據連結個數有一上限，WCDMA 技術可提供之最大傳輸速率 2Mbps 與 macrocell 單一 連結基本頻寬需求之比值 r，連結傳輸速率因連結數目而變，並有一上限值，我們 以有界(bounded)的狀態相依服務速率(State Dependent Service Rate, SDSR)模型描述。同樣地，對 femtocell 子系統亦有一連結數目上限。依據上述用戶連結需求的產生與流量、WCDMA 規約和頻寬共享之特性，採用 M/M_b/1//r-PS 模型。

本論文結合J. Beckers, et al., 2001 及 W. Cohen, 1979 所分別提出的 M/G/1/∞

-PS 穩態機率分析以及有限人數下(finite source population)M/Er/1//r-PS 的穩態機率分析方法，加入bounded-SDSR 模型，其中有界(bounded)用以描述 UMTS 傳輸速率有一上限為2Mbps，以分別求解 macrocell 與 femtocell 阻隔機率解析解。得到解析解。相較於M/Er/1//r-PS 的解，因有界傳輸速率限制，每一連結狀態下穩態機率將上升，因而阻隔機率較SDSR 將上升。

為使用所建模型及所得阻隔機率，依據實際上使用者行為設計當使用者長時間利用無線資源進行數據服務或使用者長時間在室內環境下使用數據服務等情境對於連結阻隔機率的影響。利用MATLAB 軟體針對這些例子進行數值實驗，結果如下：

(1) 增設 femtocell 可有效降低 macrocell 系統的阻隔機率，因為 femtocell 提供部分用戶流量需求的接取而能減少用戶對 macrocell 接取流量。Femtocell 設置數目由5 個增加至 20 個，macrocell 阻隔機率下降 23.5%。

(2) Macrocell 的阻隔機率戶隨著總流量需求的上升而逐漸升高。當總流量的增

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加幅度由0.4 至 1 連結/秒，阻隔機率上升幅度為 21%。

(3) 用戶在室內之停留時間越久，佔用 femtocell 資源機率越高，可降低 macrocell 阻隔機率，例如用戶在室內停留時間平均值由 1700s 增加至 2400 秒，下降幅度為1.5%。

總結本論文的本研究之貢獻如下：

1. 探討共存系統數據需求特性以及服務端連結傳輸特性，用戶利用一段持續時間使用數據服務，研究顯示可以依連結持續時間描述；

2. 因分封交換特性，傳輸速率與連結數目成反比，我們以 PS 模型描述此特性；

3. 並經由本研究分析 UMTS 傳輸速率的限制，與一般 SDSR 模型不同，我們另加進有界(bounded)的 SDSR 模型進行分析，以實際針對 UMTS 系統下共存系統的阻隔機率進行解析解。

關鍵字：femtocell 與 macrocell 共存系統、數據服務、連結允入控制、連結阻隔機率、有界的狀態相依速率模型、處理器分享模型

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Abstract

The femtocell and macrocell coexisting system is a trend for future mobile communications. In the thesis, we discuss the relationships among user data demand, the wireless band resource limitation and the quality of service of data service. Under the connection admission control (CAC) design, we shall model and analyze connection blocking probability of the coexistence system.

The problem setting is that a wireless service provider (WSP) owns the band license for accessing the 3G mobile networks and operates macrocell and femtocell systems. Connection demand and traffic from macrocell users are multiplexed into the core network, in which traffic was aggregated into the Iu-ps. As for femtocell users, traffic was aggregated into Iuh interface. The Admission Control for Coexistence Coordinator (ACCC) is the central coordinator for CAC of the co-existence networks.

CAC is implemented in the Radio Network Controller (RNC) in macrocell and the Femtocell GateWay (F-GW) in femtocell, which put limit on data service connection traffic and affects the connection access probability.

From literature survey of the characteristics of data connection demands and traffic, user mobility and data connection demand for mobile services are similar to voice usage patterns. We thus follow the traffic modeling of by Ho, 2011. The traffic model consists of three parts, the original connection generation in macrocells and femtocells respectively and the handoff traffic from other cells. We further extend the modeling methods to capture data service characteristics.

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Data service types considered are web browsing and video streaming. We assume that original data connection demand generation in each cell is a Poisson process. The total connection demand generation with handoff traffic stays Poisson under Ho, 2011 model. The connection holding times are exponentially distributed according to Wang et al., 2003. User data traffic is multiplexed by using the Wide Code Division Multiple Access (WCDMA) technique and transmitted to the core network. So the service is packet-switched and access resources are shared among multiple connections, for which a Processer Sharing (PS) model is proposed. In practice, the number of access connections, r, has a limitation in macrocells and femtocells according to CAC mechanism. CAC limitation on number of connections is due to ratio of the WCDMA wireless bands limitation of Uu interface and connection bandwidth demand.

As the connection data rate is dependent of the number of connections simultaneously accessing a Macro- or a Femto- cell. It is therefore modeled as State Dependent Service Rate (SDSR) of the cells. Furthermore, WCDMA data rate in UMTS has a maximum value, 2Mbps. We add an upper bound to the per-connection data access rate provided by a cell. In light of WCDMA protocol and the data traffic characteristics, we model the user aspects and the base station as an M/M_b/1//r-PS queueing model.

We combine and extend the analysis methods for M/G/1//∞-PS by Beckers, et al., 2001, and the finite population model of Cohen, 1979, to analyze the M/M_b/1//r-PS queueing model with a bounded-State Dependent Service Rate (b-SDSR) and derive

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macrocell and femtocell blocking probability. Comparing to analysis results of the M/Er/1//r-PS model, the blocking probabilities may increase because of the bounds on maximum service rate per connection and maximum number of connections.

Scenarios are designed to study how user usage factors of connection holding times and indoor times impact on blocking probabilities. Numerical results were obtained by using the mathematical software MATLAB as follows:

i. Deployment of femtocells can effectively reduce connection blocking probability of a macrocell, because some of the users can access femtocells, and hence the traffic in macrocell can be relieved. When total system arrival rate equals to 1 connection/sec and the number of femtocells increases from 5 to 20, the blocking probability of the macrocell decreases by 23.5%.

ii. When total arrival rate to the system increases, the macrocell blocking probability increases. It can be seen that when the system traffic increases from 0.4 to 1 connection per second, the blocking probability increases by 21%.

iii. Under the condition of fixed mean connection times of a user, if users stay indoor environments for longer time, the macrocell blocking probability decreases. For example, when mean indoor times changes from 1700 to 2400 seconds, the blocking probability decreases by 1.5%.

In this thesis, we discuss and analyze the characteristics of data service, and the adoption of a queueing model for analytical results, the contributions are as follows:

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i. Discuss the limitation of WCDMA wireless band. We can grasp the relationship of the user demand traffic end, the data service holds for some times, which we denote it as a connection holding time;

ii. Analyze the packet-switched characteristics, the data rate is inversely proportional to number of connections, which we adopt a PS model;

iii. UMTS data rate limitation makes the SDSR different from our design. We add the bounded-SDSR for blocking probability calculation.

Keywords:

Femtocell and macrocell coexistence networks, data service, connection admission control, connection blocking probability, bounded-State Dependent Service Rate model, processor sharing model

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ix

目錄

摘要 ... i

Abstract ... v

目錄 ... ix

圖目錄 ... xiii

表目錄 ... xv

第一章毫微微細胞基地台(Femtocell)緒論 ... 1

1.1 Femtocell 推出與發展 ... 1

1.2 文獻摘要 ... 3

1.3 研究範疇 ... 6

1.4 論文章節架構 ... 9

第二章 Macrocell 與 Femtocell 共存系統連結阻隔機率建模議題 ... 11

2.1 Macrocell 及 Femtocell 共存系統架構 ... 12

2.1.1 共存系統架構 ...13

2.1.2 協定堆疊 ...14

2.1.2.1 Macrocell 協定堆疊 ... 15

2.1.2.2 Femtocell 協定堆疊 ... 16

2.1.3 WCDMA 技術 ...18

2.2 資源容量瓶頸 ... 19

2.2.1 Iu-ps 介面協定 ...20

2.2.2 固網接口容量 ...22

2.2.3 連結允入控制 ...23

2.3 UMTS 服務類型 ... 25

2.3.1 無線接取乘載 ...27

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2.4 Macrocell 與 Femtocell 共存系統阻隔機率建模問題與挑戰 ... 28

2.4.1 共存固網容量的阻隔機率計算之問題描述 ...29

2.4.2 阻隔機率分析的挑戰 ...30

第三章 Macrocell 與 Femtocell 共存系統阻隔機率模型 ... 33

3.1 數據流量模型建立需求 ... 33

3.1.1 模型情境設定 ...34

3.1.2 共存系統CAC 機制 ...34

3.2 連結阻隔機率模型符號定義 ... 37

3.3 基站數據服務流量建模 ... 40

3.3.1 Macrocell 連結需求 ...43

3.3.1.1 Macrocell 資源佔用時間 ... 45

3.3.2 單一Femtocell 系統連結需求 ...46

3.3.2.1 Femtocell 資源佔用時間 ... 47

3.4 切換流量之機率推導 ... 48

3.5 基站及後端固網數據服務子模型 ... 49

3.5.1 Processor Sharing 原理 ...49

3.6 基站連結阻隔機率計算 ... 50

3.6.1 服務速率特性 ...52

3.6.2 Macrocell 連結阻隔機率 ...54

3.7 整體模型架構 ... 57

第四章共存系統阻隔機率數值實驗結果與討論 ... 59

4.1 數值實驗基本參數設定 ... 59

4.2 數值實驗驗證 ... 61

4.3 連結阻隔機率數值實驗與情境應用 ... 65

4.3.1 連結持續時間與阻隔機率之關係 ...65

4.3.2 用戶室內停留時間對阻隔機率的影響 ...66

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xi

4.3.3 頻寬需求與阻隔機率之關係 ...68

4.4 Femtocell 分流效應 ... 69

4.5 數值實驗結果綜合討論 ... 69

第五章結論與未來研究方向 ... 71

5.1 結論 ... 71

5.2 未來研究方向 ... 73

參考文獻 ... 75

附錄 A：指數分佈機率求解 ... 81

附錄 B：M/M_b/1//r₁-PS 阻隔機率公式推導 ... 83

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xii

(19)

xiii

圖目錄

圖1.1 Cisco 預測 2011-2016 年間數據服務成長幅度 [Cis10] ... 2

圖1.2 Femtocell 無線訊號強度示意圖([RVP10]) ... 5

圖2.1 Femtocell 及 macrocell 共存系統 (修改自[ZhR10]) ... 13

圖2.2 Macrocell 及 femtocell 共存系統架構 (修改自[ZhR10]) ... 14

圖2.3 UMTS 使用者設備至 GGSN 之 UMTS 軟體協定 (修改自[Li11]) ... 16

圖2.4 3G femtocell 協定堆疊 (修改自[KYF09]) ... 18

圖2.5 以碼為無線傳輸流量通道的單位 ([Zen07]) ... 19

圖2.6 無線資源與固網資源議題 ... 20

圖2.7 Iu-ps 介面協定堆疊 (修改自[Cho00]) ... 21

圖2.8 允入控制所涉及的協議訊息 (修改自[ZCJ07]) ... 24

圖2.9 F-GW 的 CAC 演算法 ([CRR09]) ... 25

圖3.1 加入 ACCC 之 3G UMTS 共存系統架構 ... 37

圖3.2 ACCC 於共存系統中涉及的協議訊息 ... 37

圖3.3 使用者設備在 macrocell 與 femtocell 間移動的情境 ([CRR09]) ... 42

圖3.4 Macrocell 與 femtocell 數據需求產生與轉移示意圖 (修改自[MHH11]) ... 43

圖3.5 Femtocell 用戶服務之連結持續時間與基站停留時間示意圖 ... 46

圖3.6 Processor Sharing 示意圖 (修改自[Li11]) ... 50

圖3.7 頻寬速率共享示意圖 ... 52

圖3.8 UMTS 系統下頻寬速率共享示意圖修改自[BHK01] ... 53

圖3.9 M/M/1 模型的轉移速率 ... 56

圖3.10 M/M/1-PS 模型的轉移速率 ... 57

圖3.11 共存系統連結阻隔機率模型架構 ... 58

圖4.1 Macrocell 阻隔機率與總系統新進需求流量之關係 ... 62

(20)

xiv

圖4.2 Macrocell 系統連結數與總系統新進需求流量之關係 ... 65

圖4.3 Macrocell 使用者連結持續時間與 macrocell 阻隔機率之關係 ... 66

圖4.4 用戶在室內之停留時間係數與 macrocell 系統阻隔機率之關係 ... 67

圖4.5 Macrocell 使用者連結頻寬需求與 macrocell 阻隔機率之關係 ... 68

圖4.6 Femtocell 分流效益對 macrocell 阻隔機率的影響 ... 69

(21)

xv

表目錄

表2.1 ATM 調節層之分類與說明 (整理自[Jai94]) ... 22

表2.2 UMTS 服務類型與目標 QoS (整理自[Sol10]) ... 27

表2.3 3GPP TS 34.108 定義之 RAB 類型 ([3GP04]) ... 28

表3.1 M/X/1//Y-PS 模型之比較(X, Y 分別表示不同模型採用的機率分佈) ... 54

表4.1 數值實驗參數定義與設定 ... 60

表4.2 數值實驗與模擬實驗阻隔機率的比較 ... 63

(22)

(23)

1

第一章

毫微微細胞基地台(Femtocell)緒論

1.1 Femtocell 推出與發展

隨著行動通訊網路技術的進步，第三代行動通訊網路(3^rd Generation, 3G)的架構與發展已臻成熟。3G 的全球行動通訊系統(Universal Mobile Telecommunication System, UMTS)為 3^rd Generation Partnership Party(3GPP)所規範的標準之一，除可讓用戶進行語音通話外，另外提供了行動裝置數據上網的服務，並以分封服務技術讓固網頻寬資源的運用更有效率。UMTS 規範了多種服務型態，讓使用者使用數據服務時能根據所需服務特性獲得需要的品質，如使用網頁瀏覽服務時資訊傳輸對於封包錯誤率的要求、以視訊連線時對於傳輸延遲的要求或是基本傳輸頻寬要求。本研究透過所設計，在既有共存系統頻寬容量配置下分析連結需求阻隔機率，

以滿足UMTS 用戶的數據服務需求。

由於UMTS 的普及以及智慧型手機等手持裝置的大幅成長，用戶利用行動裝置上網的頻率以及數據流量日益增加，常見數據服務如網路瀏覽、線上觀看視訊節目等行動數據上網服務。由圖 1.1，數據服務行動通訊市場趨勢年複合成長率 (Compound Annual Growth Rate, CAGR)指出，行動視訊(Mobile Video)流量為相當具有潛力的服務類型，估計由2011 年到 2016 年成長幅度可達到 70.5%。除了視訊流量外，由行動Web(Mobile Web)、行動數據(Mobile Data)佔成長幅度 20%的比例，

可看出整體數據封包流量在行動通訊系統中成長幅度相當急遽。[Cis10]指出，數

(24)

2

據封包成長的幅度將在2016 年達到十倍數以上的成長，顯示未來行動數據具有相當大的成長潛力。

圖1.1 Cisco 預測 2011-2016 年間數據服務成長幅度 [Cis10]

數據流量快速成長的幅度及因應室內覆蓋及容量等問題，使得femtocell得順應行動通訊網路的進展和移動寬頻化發展潮流而產生，其主要功能為改善目前行動網路的室內覆蓋，以及解決深度覆蓋問題。深度覆蓋問題為當使用的資料傳輸速率越高，室內信號相較於室外訊號的效果越差，如384kbps之傳輸速率，依據[HoT04]

的估算，室外之信號覆蓋比例可達到98％，但室內則迅速下降至67％。由於UMTS 使用WCDMA技術，行動通訊網路具有呼吸效應，一旦話務及訊務的流量較多，

macrocell網路的訊號覆蓋範圍將會降低，導致室內服務品質的下降，因此更需要室內femtocell的裝置以增加室內使用者的訊號品質。

據[CTec11]全球 Femtocell 論壇 2010 年年會發佈的資料，全球已有 60 多個行動網路營運商，包括Vodafone、AT&T、NTT DOCOMO、中國聯通等，已紛紛展

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3

開 femtocell 的部署與測試。因此我們可預期在未來通訊系統的發展上，因數據服務之流量增長、行動通訊網路的高速傳輸速率以及在室內外的通訊環境中達到無縫接取(seamless access)的目的，在 macrocell 環境下建置 femtocell 是可見趨勢。如何管理異質性接取系統，協調配置資源來達到服務效益為將來行動網路接取的挑戰之一。

Femtocell 是增設於原先 macrocell 行動通訊架構下，另需考量由 femtocell 用戶需求在後端固網容量所增加之數據流量。在此共存行動通訊架構系統下，

macrocell 與 femtocell 兩個子系統的數據流量需求，電信業者在給定一配置頻寬比例的情形下，如何因應用戶之需求、給定一基本服務品質(Quality of Service, QoS)，

並分析阻隔機率以作為業者評估共存系統效能的指標，是一個值得研究的議題。

1.2 文獻摘要

Femtocell 是將來無線網路佈建的重要關鍵，除了對技術有初步概念外，相關研究議題也值得探討，尤其未來的行動通訊網路在數據流量的成長以及因應用戶需求等服務提供、服務品質維持等效能，皆牽涉到共存系統架構管理與設計。

[ChA08]概述了目前 femtocell 的發展現況及相關技術挑戰，其透過不同面向如：

穿透率(throughput)、佈建方式、經濟收支等比較了 femtocell 與其它基地台的差異，是相當適合綜觀了解 femtocell 的導論；其中指出 femtocell 所面臨的眾多技術挑戰，分別是時間同步、基地台切換、後端接取(backhaul access) 如何提供可接受的 QoS(acceptable QoS)。以後端接取面向而言，例如對延遲時間敏感的流量，以IP 固網接取流量需保證其 QoS，此外建議固網端應該提供足夠的容量，以避免固網端

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4

頻寬容量潛在瓶頸的問題存在。

[LBE10] 提出一個 femtocell 可分別接取有執照的頻段與無執照的頻段的基礎架構，此基礎架構在一定程度上提高了蜂窩網絡(cellular network)的容量，可以獲得顯著的吞吐量(throughput)增益。在本篇論文中，由於femtocell的覆蓋距離短，與wifi 無線接取點彼此結合，形成一異質性網路，對使用者而言是一個相當好的接取平台。

因此利用femtocell同時接取授權和免授權頻段，建立此共存架構下的性能分析模型，

並通過模擬結果驗證，可分析出在此共存系統架構下的效能增益。然其對於流量的建模與說明並未多所著墨，主要針對此架構之無線接取特性建模與分析。

[RVP10]就可接取 femtocell 的方式做三方面實際 femtocell 訊號強弱的探討，

圖1.2 可顯示出三種情境，其中(a)情境表示僅 femtocell 使用者可接取 femtocell 服務，因此位於戶外的使用者裝置接取到macrocell 的較弱訊號以及 femtocell 的訊號，

反而會有干擾的產生而使得訊號強度很差；(b)情境則為所有使用者皆可接取 femtocell，因此即使使用者裝置位於 macrocell 訊號涵蓋範圍較差的區域，亦可經由接取femtocell 而獲得可接受的訊號品質；(c)情境則為混合(hybrid)模式，使用者裝置可藉由區分macrocell 及 femtocell 訊號的強弱程度，來決定接取哪一子系統的服務，因此獲得可接受的服務品質。

(27)

5

圖1.2 Femtocell 無線訊號強度示意圖([RVP10])

[SWZ08]考慮 3G 固網端之容量規劃，並以處理器共享原理說明在 TCP 協議中之速率共享，固網容量規畫的目的主要因應數據流量之服務資源通常為頻寬，並不利用如語音服務的專用通道進行傳輸；在此篇中以延遲時間做為定位固網容量的參考指標，並使用OPNET 網路模擬軟體驗證其分析結果，然而此篇論文考慮單一系統，對於共存系統容量分析可作為流量建模之參考，並未對容量配置與服務品質等進行分析與說明。

[AKY11]提出以時間頻率作為管理無線資源的方式，並已依中央控管機制負責協調多種不同技術間無線資源共享的情形，提出了FERMI 的資源管理機制。針對不同技術如 WiMAX、WiFi 間無線資源的協調，並區分出不同的傳輸框(frame)機制以在異質網路架構中進行協調與資源分配的功能，並加進激戰間以及使用者裝置間彼此可能有干擾的情況，建立一干擾地圖(interference map)以有效處理多個方塊功能間干擾的情況，最後提出一分配演算法並進行實作，實驗結果顯示利用 FERMI 可有效增加整體網路的產出量(throughput)。

[Fem10]針對業者資源管理可能引發的瓶頸限制作一說明與定義，尤其是因智

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6

慧型手機(smart phone)等行動手持裝置的產生而引發的”健談(chatty)”現象，智慧型手機的使用除了提高基本數據傳輸的量外，另由於使用者應用服務如即時更新、

地圖定位等功能將不停蠶食macrocell 後端連接至固網的專線，並造成相當大的負荷量，因此此篇提出femtocell 將對數據流量對 macrocell 固網的紓解有實質幫助。

1.3 研究範疇

有鑑於femtocell 與 macrocell 共存系統是於將來行動通訊的趨勢之一，如何管理異質性接取系統，協調配置資源來達到服務效益為將來行動網路接取的挑戰之一，本研究探討femtocell 及 macrocell 共存系統之數據連結流量需求、固網端頻寬配置與數據服務效能間的關係，以作為頻寬配置決策的基礎。

具體的研究情境為一個有頻譜執照的電信業者，擁有 macrocell 及 femtocell 共存系統，用戶接取兩子系統進行數據服務，macrocell 訊務流量匯集至後端固網 Iu-ps 介面處，femtocell 訊務流量則匯集至 Iuh 介面以連結網際網路。Connection Admission Control(CAC)分別由 macrocell 子系統的 Radio Network Controller, RNC 與 femtocell 子系統的 FemtocellGateWay, F-GW 執行，中心管理系統 Admission Control for Coexistence Coordinator(ACCC)統計並管制 macrocell 和 femtocell 用戶的訊務流量。無線資源會限制來自 macrocell 以及 femtocell 用戶之流量，macrocell 新進之用戶連結需求會被RNC 阻隔，在 femtocell 亦同樣會被 F-GW 阻隔，而影響用戶的連網成功率。

針對用戶需求特性，假設用戶使用數據服務與語音服務需求的產生雷同，以 Poisson 隨機變數描述。連結流量分析模型採用何孟翰，2011，所提出的以語音服

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7

務為基礎的模型進行修改。該模型中服務流量成分包括用戶各自於 macrocell 與 femtocell 子系統原始產生的數據服務需求，以及因移動而由原子系統切換到另一子系統的數據需求流量，本論文研究再依據數據服務不同統計特性如不同的新進連結到達率、連結持續時間以及數據服務傳輸速率加以修改。在單一連結的特性方面，考慮用戶瀏覽網頁及觀看視訊服務，依據T. C. Wang et al., 2003，我們使用指數分佈模型來描述連結的使用時間。

系統(基站)服務特性則考慮 WCDMA 技術以單一頻帶利用多個碼同時傳輸多個連結訊務流量，且在核心網路採用分封交換，多工分享連網頻寬。連網瓶頸在無線接口Uu 介面 WCDMA 頻帶的限制，使得各數據連結傳輸速率會因同時連結的數目而改變。實務上在macrocell CAC 會對接入網路的數據連結個數有一上限，

例如無線頻寬可提供之最大傳輸速率2Mbps 與 macrocell 單一連結基本頻寬需求之 比值 r1。同樣地，在femtocell 使用與 macrocell 獨立的頻帶，因此無線頻寬可提供之最大傳輸速率2Mbps 與 femtocell 單一連結基本頻寬需求之比值 r2。

分封網路傳輸速率因共享特性而與系統連結數成反比，亦即為狀態相依服務速率(State Dependent Service Rate, SDSR)。UMTS 系統下，使用者數據服務峰值傳輸速率為 2Mbps，表示單一連結傳輸速率有上限，因此加入有界(bounded)的 SDSR(bounded-SDSR)模型以描述此特性。藉由分封交換，在 Iu-ps 介面共享固網頻寬資源，因而將分封交換特性建模為PS 系統。依據上述用戶連結需求的產生與流量、WCDMA 規約和頻寬共享之特性，採用 M/M_b/1//ri-PS 模型，i=1,2 分別表示macrocell 及 femtocell 兩子系統。

本論文結合J. Beckers, et al., 2001 及 W. Cohen, 1979 所分別提出的 M/G/1/∞

-PS 穩態機率分析以及有限連結數下(finite source population)M/Er/1//r-PS 的穩態機

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8

率分析方法，加上針對有界狀態相依服務速率(bounded-State Dependent Service Rate, b-SDSR)特性，分別求解 macrocell 與 femtocell 阻隔機率，得到解析解。相較於M/Er/1//r-PS 的解，因有界傳輸速率限制，每一連結狀態下穩態機率將上升，因而阻隔機率較SDSR 將上升。

為使用所建模型及所得阻隔機率，依據相關文獻研究使用者行為設計當使用者長時間利用無線資源進行數據服務或使用者長時間在室內環境下使用無線數據服務等情境對於連結阻隔機率的影響。利用MATLAB 軟體針對這些例子進行數值實驗，結果如下：

(1) 增設 femtocell 可有效降低 macrocell 系統的阻隔機率，因為 femtocell 提供部分用戶流量需求的接取而能減少用戶對 macrocell 接取流量。當總流量為1 連結/秒時，Femtocell 設置數目由 5 個遞增加至 20 個，macrocell 阻隔機率下降23.5%。

(2) Macrocell 的阻隔機率戶隨著總流量需求的上升而逐漸升高。當總流量的增加幅度由0.4 至 1 連結/秒，阻隔機率上升幅度為 21%。

(3) 當一連結室內外總時間固定且總流量固定時，用戶在室內之停留時間越久，

佔用femtocell 資源機率越高，可降低 macrocell 阻隔機率，例如用戶在室內停留時間平均值由1700s 增加至 2400 秒，下降幅度為 1.5%。

總結本論文的本研究之貢獻如下:

1. 探討共存系統數據需求特性以及服務端連結傳輸特性，用戶利用一段持續時間

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使用數據服務，研究顯示可以依連結持續時間描述；

2. 因分封交換特性，傳輸速率與連結數目成反比，我們以 PS 模型描述此特性；

3. 並經由本研究分析 UMTS 傳輸速率的限制，與一般 SDSR 模型不同，我們另加進有界(bounded)的 SDSR 模型進行分析，以實際針對 UMTS 系統下共存系統的阻隔機率進行解析解。

1.4 論文章節架構

本論文共分為五個章節。第二章描述本論文之系統架構以及說明共存系統之潛在固網容量瓶頸，以建立阻隔模型之問題描述與研究挑戰；第三章探討依據數據流量需求，給定既有之固網容量，以連結允入控制機制設計以建立連結阻隔機率模型；第四章給定不同情境下的連結阻隔機率模型實驗結果，分析了包括使用者服務品質、連結頻寬需求對共存系統阻隔機率所造成之影響等。第五章則為本篇論文的結論以及未來研究方向。

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第二章

Macrocell 與 Femtocell 共存系統連結阻隔機率建模議題

Macrocell 之系統架構已定義在 3GPP(3^rd Generation Partnership Project)規範中，

而目前業界所使用的 femtocell 協定堆疊(protocol stack)等技術細節也已制定 [KYF09]，然而對於 femtocell 與 macrocell 共存系統資源配置與管理等則無規範，

由各業者自行決定。本章將介紹在第三代行動通訊系統(3^rd generation, 3G)中 femtocell 及 macrocell 共存之系統架構，進而對延伸之資源限制對於用戶服務品質影響等議題進行定義與討論。

何孟翰([MHH11])在 2G femtocell 與 macrocell 共存系統架構下提出 macrocell 與 femtocell 系統語音頻道的最佳化配置，並以話務阻隔機率作為頻道最佳化之指標，設計RANSAM 作為共存系統頻道分配之配置。論文中所建的語音頻道配置對於話務阻隔機率影響的模型，除依據用戶需求及移動行為模式建立流量需求模型，

並依語音服務為一通電話接取一個頻道的服務特性，採用 M/M/c/c 模型作為求解阻隔機率的模型。

本論文延伸考量用戶使用數據服務，首先說明在3G 共存系統下數據封包的運作與傳遞方式，並考慮後端網路(backhaul)固網容量的限制對用戶在建立數據服務連結時的影響，最後定義主要的研究問題：

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1. 無線接取所造成的資源接取限制，以 CAC 機制設計將如何影響兩種系統的連結阻隔機率？

2. 使用者的行為模式會對共存系統造成什麼樣的影響?

本章於2.1 節將介紹 femtocell 系統和 macrocell 系統共存之架構以及兩者之協定堆疊圖；2.2 節說明行動通訊系統之資源限制以及基站之連結允入控制及與服務需求間的關聯；2.3 節針對 3G 行動通訊系統說明，並列出數據服務類別與需求；

2.4 節則具體描述資源配置與本論文所研究之共存系統資源限制與連結阻隔機率間關係建模與分析的情境、定義及所將面對之困難。

2.1 Macrocell 及 Femtocell 共存系統架構

Femtocell 及 macrocell 共存之行動網路接取系統如圖 2.1，戶外的使用者透過 macrocell 經由後端專線接取核心網路，並可再連接網際網路等公用網路提供使用者行動數據上網等服務；室內的使用者則透過 Femtocell Access Point(FAP)連接 ADSL/Cable 接取至網際網路。

Macrocell 建置目的為提供大範圍且多使用者的無線訊號覆蓋，而 FAP 則作為室內少數使用者使用的接取點。有關femtocell 及 macrocell 共存系統之架構將於此節中介紹。

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圖2.1 Femtocell 及 macrocell 共存系統 (修改自[ZhR10])

2.1.1 共存系統架構

從系統架構上來看，femtocell 相較於 macrocell 較為獨立；電信業者架設涵蓋範圍大的 macrocell 系統以替使用者提供服務，後端網路須由電信業者額外架設。

Femtocell 系統則不同於傳統的蜂巢式 macrocell 系統，由使用者端自行架設一個 FAP 設備，FAP 和 Femtocell GateWay(F-GW)之間的傳輸方式則採用了 ADSL 或 Cable 等有線方式。Femtocell 系統部署方式靈活，透過額外建置 femtocell 而不需將現有的核心網路做任何改變，因此可以利用現存的 macrocell 系統來延伸擴充，

包括電信業者採用之技術如第二代行動通訊系統(2^nd generation, 2G)的全球移動通訊系統(Global System for Mobile, GSM)、3G 的通用行動通訊系統（Universal Mobile Telecommunications System, UMTS）以及 3.5G 的高速封包下行存取(High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)等。

圖2.2 為 femtocell 系統與 macrocell 系統之共存架構，包含無線電接取網路以及核心網路兩大部分。其中 macrocell 語音訊號經由電路交換(Iu-cs)被轉送到媒介閘道器(Media GateWay, MGW) 處理，並轉送至 Public Switching Telephone

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Network(PSTN)進行通話。Femtocell 語音訊號則藉由 Mobile Switching Center(MSC) 與Gateway Mobile Center(GMC)將語音需求轉接到指定的目的地。

Macrocell 負責處理數據封包資料有兩部分，一為 GPRS 服務支援節點(Serving GPRS Support Node, SGSN)節點，另一則為 GPRS 閘道器 (Gateway GPRS Support Node, GGSN)。封包先經由分封交換(Iu-ps)轉送給 SGSN 處理，SGSN 可視為封包轉送的行動數據交換中心，負責將封包轉送至其他 SGSN 或 GGSN，並可記錄使用者設備的當前位置訊息等，而 GGSN 則是行動網路之對外窗口，所有網內的封包皆經由GGSN 傳送到外部網路，如網際網路等。

Femtocell 數據封包則先由 FAP 接收無線訊號後經 ADSL/Cable 傳送至 F-GW，

並經由分封交換轉送給SGSN 處理，再將訊號經由 Gn 介面轉送至 GGSN 再傳送到網際網路。

圖2.2 Macrocell 及 femtocell 共存系統架構 (修改自[ZhR10])

2.1.2 協定堆疊

依據 2.1.1 小節所描述的系統架構，本小節分別就 UMTS macrocell 以及

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15

femtocell 兩系統之協定堆疊(protocol stack)進行說明，並列出 femtocell 因應共存系統所新增之協定，來了解數據封包的傳遞過程中femtocell 與 macrocell 基站與後端網路不同網路元件間的溝通協調流程。

2.1.2.1 Macrocell 協定堆疊

圖2.3 顯示 macrocell 系統從使用者設備至 GGSN 的協定堆疊，無線訊號傳送經由實體層(Physical Layer, 或稱為 Layer 1)與基站溝通，實體層技術為 Wideband Code Division Multiple Access(WCDMA)；實體層之上為無線電連結控制(Radio Link Control, RLC)層與媒介存取控制(Medium Access Control, MAC)層，此兩層亦可合稱為無線電介面協定，是用來建立、設定與釋放無線接入乘載(Radio Access Bearer, RAB)，以供上層其他協定使用。RLC 層提供使用者設備及基站之間連線的管理與無線電連結(radio link)的控制，並且負責使用者控制訊號、資料訊號分割 (segmentation)與重傳(retransmission)的功能。當資料訊號傳送到 MAC 層時，MAC 會將WCDMA 中定義的邏輯通道對應到 MAC 中相對應的傳輸通道，使得資料可以經由傳輸通道傳輸至封包數據匯集協定層(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)，PDCP 功能為進行 IP 的壓縮及解壓縮，再經由基站之 GTP-U 協定傳送至 SGSN，GTP-U 之功能為 SGSN 與 GGSN 之溝通介面，或由 GGSN 向外接取網際網路之溝通介面。

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圖2.3 UMTS 使用者設備至 GGSN 之 UMTS 軟體協定 (修改自[Li11])

2.1.2.2 Femtocell 協定堆疊

Femtocell 軟體協定共包含兩個實體傳輸介面，一個是與使用者設備連通的無線介面，沿用原先UMTS 基地台控制器(Radio Network Controller, RNC)的無線電資源控制(Radio Resource Control, RRC)、RLC、MAC 等通訊協定標準。由於無線介面在3GPP 標準組織中發展較為成熟，因此 FAP 與一般使用者設備進行行動傳輸時，並沒有互通相容性的問題存在；另一介面則是接取後端固網之網際網路通訊協定(IP)網路介面，由於涵蓋的協定技術以及標準規範尚在制定中，因此 femtocell 電信業者需面臨網路端各元件相容互通性的挑戰。

如圖2.4 所示，femtocell 介面所涉及到的協定技術主要包括以下幾個部分：Iuh 協定技術應用在femtocell 與 Security GateWay(SeGW)之間的溝通；TR069 協定技術應用在 femtocell 與 HMS(Home nodeB Management System)，由電信業者透過 TR069 負責監控 FAP 之運作狀況；本地 IP 流量(Local IP Traffic)技術則應用在分封交換資料傳輸方面；以及由FAP 至 F-GW 的傳輸協定。

(39)

17

由FAP 至 F-GW 的通訊協定堆疊如圖 2.4 下方所示，沿用原本 UMTS 中 RNC 的Iu-ps 介面協定(如 RANAP、Iu-UP 等)，並有全新制訂的 HNBAP(Home NodeB Application Part)及 RANAP 用戶適應性(RANAP User Adaptation, RUA)協定兩個技術規範，此處我們說明HNBAP 與 RUA 兩個部分：

 HNBAP：訊息傳遞透過底層建立的 SCTP 連線與 F-GW 溝通，此協定主要提供三種功能，分別為femtocell 註冊功能、UE 註冊功能以及錯誤回報等機制。

 RUA：訊息傳遞透過底層的 SCTP 連線和 F-GW 溝通，此協定取代原本 3G RNC 的傳輸協定，提供連線導向與非連線導向的傳輸服務給上層的 RANAP 協定。

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圖2.4 3G femtocell 協定堆疊 (修改自[KYF09])

2.1.3 WCDMA 技術

UMTS 中 macrocell 與 femtocell 實體層採用之技術為 WCDMA，來實現多重存取。WCDMA 源自於訊號展頻(spreading spectrum)的觀念，利用一個展頻碼將原始訊號進行調變，使原始訊號展開成較寬的頻寬，讓訊號可以以較低功率傳輸資料訊號，到達接收端再由相同展頻碼解展頻出原始訊號，使得訊號較不易受到雜訊及干擾的影響。至於流量通道分配如圖 2.5 所示，WCDMA 是以碼作為無線傳輸流量通道的單位，同一時間同一頻寬可利用多個不同的碼將多個使用者的傳輸訊號展頻，因此讓使用者可同時同頻進行傳輸。

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圖2.5 以碼為無線傳輸流量通道的單位 ([Zen07])

WCDMA 採用正交可變展頻因子(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF) 碼作為碼的產生依據。原始資料訊號的單位是位元(bit)，而經過 OVSF 碼展頻後的單位稱之為碼片(chip)，因此原始訊號經過 WCDMA 技術展頻後的訊號之傳輸速率以碼片速率(chip rate)為單位。OVSF 碼在上下行資料傳輸有著不同的功能，由於不同使用者設備(UE)有連結請求以取得所需服務，因此在上行中藉由 OVSF 碼可用以區分同一使用者設備之資料通道以及控制通道；而下行傳輸資料則可達到使用 OVSF 碼以做為區分不同使用者設備的作用。因此，不同使用者設備之連結請求皆可藉由使用不同的OVSF 碼加以區分。

2.2 資源容量瓶頸

行動通訊系統通常考慮之資源瓶頸包含兩個層面，其一為使用者設備接取至 FAP 或 Macrocell 基站之無線頻譜，另一則為由基站端經由後端接取至有線固網之容量。無線頻譜資源層面包含如頻道資源分配與接取[MHH11]、[Zha10]以及使用者設備與基站間訊號干擾[YMN09]等議題。本研究專注在 macrocell 系統後端接取至有線固網端Iu-ps 的資源限制對連結流量之分析。

由圖2.6 我們區分出本研究著重之部分，其中無線電接取網路主要分析在無線

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20

訊號之相關議題，而核心網路中 Iu-ps 介面的限制(圖中紅色方框所示)則為本研究設計連結允入控制的機制所在。

如2.1.2.2 小節所述，femtocell 的數據訊號由使用者設備接取後送經由 FAP、

F-GW、Iu-ps 順序傳送給 SGSN，再透過它的 Gn 介面藉由 GGSN 連接至網際網路；

用戶向電信業者申請 FAP 設備時，會由業者裝設後端固網以提供足夠容量給予 femtocell 使用者使用行動數據服務。

Macrocell 接取使用者連結至基站，經由基地台控制器 RNC 透過 Iu-ps 接取至 SGSN，再經過 GGSN 連接至網際網路。藉由[Fem10]說明，因行動用戶使用特性需求，數據封包傳輸訊號相當依賴由 RNC 傳送至 SGSN 的固網接口，因此若由 macrocell 系統的使用者流量或者因 femtocell 切換至 macrocell 系統的用戶流量過高，

將導致固網容量頻寬的不足。

圖2.6 無線資源與固網資源議題

2.2.1 Iu-ps 介面協定

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21

基本了解共存系統中有線端之潛在資源瓶頸為Iu-ps 介面之頻寬容量後，首先就Iu-ps 介面技術層面做一探討。如圖 2.6 所示表示 UMTS 之 Iu-ps 固網介面使用 ATM 網路的 ATM Adaptation Layer type 5(AAL5)技術。AAL5 主要的特色為無須建立連線、非即時傳輸以及非固定速率的傳輸，適合用來傳送經過壓縮的封包資料。

依據表2.1 之說明，ATM Adaptation Layer type 2(AAL2)在 Iu-cs 介面主要是用來傳送使用者的語音資料，而AAL5 在 Iu-ps 介面則是用來傳送使用者的封包資料，

Iu-ps 與 Iu-cs 介面的控制訊號都是透過 AAL5 來傳送的。雖然 AAL5 不像 ATM Adaptation Layer type 3/4(AAL3/4)在切割資料包時，會在每一個資料片段保留一個順序編號，以便於接收端可以在處理資料時從前後的資料順序編號知道是否有資料在傳輸過程中遺失，不過當核心網路採用 AAL5 來傳輸控制訊號或是使用者封包資料時，會在上面負載其它具備偵錯與重傳的通訊協定(例如:SSCOP 與 SCTP)，

以協助整個傳輸流程可以更為可靠。

圖2.7 Iu-ps 介面協定堆疊 (修改自[Cho00])

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22

表2.1 ATM 調節層之分類與說明 (整理自[Jai94]) ATM 調

節層

屬性應用即時性速率連線模式

AAL1 A 模擬電路交換 Yes 固定連線導向 AAL2 B 封包即時影音

資料

Yes 變動連線導向 AAL3/4 C 檔案傳送(ftp)與

遠端登入(telnet)

No 變動連線導向 AAL5 D UDP/IP No 變動非連線導

向

2.2.2 固網接口容量

影響使用者設備與基站間之傳輸速率為Iu-ps 固網接口的容量，此處我們稱介面為一接口，以描述數據資料傳輸由一網路元件匯流至另一網路元件。其他固網接口諸如圖 2.3 中 macrocell 系統基站與基地台控制器連接的專線 Iub，或是 FAP 所接取之固網端ADSL/Cable 等。若固網端之容量過小，即使無線接口容量能達到如UMTS 之最大理論傳輸速率 2Mbps，在接取後端固網後亦會因固網容量不足而僅能提供較小的數據傳輸速率。

行動通訊用戶在基站有線固網端的需求資源為何？此處我們先由UMTS 系統之接口做一說明，接著說明HSDPA 系統。UMTS 系統中，使用者設備至基站的無線接口最高數據傳輸速率理論上為 2Mbps，再連接到分封網路至核心網路 GGSN 的各個不同接口上，包括Iu-ps 接口及 Iub 接口等，其數據傳輸速率都等於無線接口上的傳輸速率，此為UMTS 乘載管理的功能，由 RNC 協定堆疊中 RLC 層中的功能方塊，無線資源管理所實現。當引入了 HSDPA 後會有不同的情況[ZCJ07]。

3GPP 所定義的 HSDPA 無線接口的數據速率理論上最高可達 14.4Mbps，然而從單一用戶的角度來看，基站中的無線資源是由該用戶與其他使用者在經由基站以不

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23

同編碼來多工共享的，相當於在系統中之使用者平分此14.4Mbps。

無論是UMTS 或 HSDPA，若使用者之服務需求流量在無線端接取時無法獲得所需資源，此時位於 RNC 的連結允入控制將阻隔掉部分來自 macrocell 或由 femtocell 使用者轉接至 macrocell 系統的服務，以滿足使用者使用服務之基本傳輸速率需求。

2.2.3 連結允入控制

[Li11]中提出，為保證基本連結傳輸速率可採用連結允入控制(Connection Admission Control, CAC)，因此用戶連結能在通信訊務量過載(overflow)的情況下，

避免不穩定性和低吞吐量的情形產生。CAC 目的為根據目前資源是否足夠提供給服務之QoS 以決定接受或拒絕新的連結，基站系統可採用 CAC 以作為品質保證的依據。通常作為決定CAC 之評斷標準可有以下幾種：阻隔機率、產出量(throughput)、

封包遺失機率等[RSA05]，若是共存系統中使用者過多，CAC 會依據是否系統之效能指標未達到標準而接受或拒絕使用者的連結請求。本論文研究採用連結具有一基本傳輸速率之CAC 以描述連結需求被阻隔的現象，並以連結阻隔機率做為評估共存系統固網配置之標準。

茲以 macrocell 連結建立請求消息之傳遞過程為例，如系統運作順序圖 (sequence diagram)圖 2.8，來說明 CAC 的運作。一開始由使用者設備提出連結建立請求消息，並透過 RNC 中之 RRC 協議和 RANAP 協議，將連結請求傳達到達核心網路，因此再發送連結資源分配消息以觸發連結的建立。連結建立訊息到達後，

位於 RNC 之 CAC 演算法負責執行接受或拒絕連結請求建立的步驟，若接受此連結請求，RNC 會透過無線電承載在無線、Iub 接口與 Iu-ps 上建立資源，同樣地，

後端所需連結資源在Iu-ps 接口上建立資源，若建立過程成功，由使用者設備端所

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發送的連結需求會給定一回應訊息，以確認無線接入乘載的建立。

圖2.8 允入控制所涉及的協議訊息 (修改自[ZCJ07])

針對有限之無線資源，圖2.9 舉[CRR09]進行 femtocell CAC 演算法為例，由 femtocell 行動裝置與基站間進行訊號好壞的評估與測量，判定是否傳輸訊號超過一定門檻值(threshold level)，若是(yes)，則依演算法判斷需經過一固定時間的估測判斷是否在時間區間 T 內，傳輸訊號品質皆維持在門檻值以上，接著依序判斷在 macrocell 與 femtcoell 系統訊號對干擾的比值(

o c

I

E )的大小，接著進行固網端資源 (圖中所示 BW)是否足夠以提供新進流量服務，而決定接取 macrocell 或 femtocell AP 的服務。

(47)

25

圖2.9 F-GW 的 CAC 演算法 ([CRR09])

2.3 UMTS 服務類型

UMTS 提供不同數據傳輸服務，如利用手機進行傳輸文件、數位影像、聲音及多媒體等服務類型，而不限定於使用語音通話服務。諸如以下為UMTS 標準所訂定的四種服務類型及其基本特性：

 會話類型：需保持串流中傳輸資訊之間的時間關係或變化。這類訊務為即時且近乎同步的服務類型，常見應用如語音通話服務，網路電話(Voice over IP, VoIP)等。這類型服務對時間的延遲十分敏感，服務需在一定的延遲時間範圍內完成傳送。

 串流類型：需保持串流中傳輸資訊之間的時間關係或變化。此類訊務常見為單向傳輸，如由伺服器下載視訊到使用者設備，常見應用如視訊串

(48)

26

流(video streaming)，串流訊務對於延遲時間的要求較會話訊務不嚴苛，

但也有一最大延遲時間限制，且常需要較大的頻寬以傳送文字、圖片、

影音等資訊。

 互動類型：通常包含客戶端(client)及服務端(server)，兩端會有請求-回應的動作，另外資料的傳送需具完整性，為一非同步且非即時性的訊務，

常見應用如網頁瀏覽(web browsing)。

 背景類型：接收端並不期待在某一時間內傳輸資訊能到達，亦即對於延遲時間較不要求，但須保持資訊的完整度，常見應用如多媒體訊息服務 (multimedia message system, MMS)、e-mail 等。

以上服務類型都有特定的服務特點和服務需求（Quality of Service, QoS），諸如延遲時間、傳輸資訊之完整性等。其中，服務類別又可以是否保證其傳輸速率為區分標準，如表2.2 所示，常見保證傳輸速率的服務類別以會話類型為主，如語音與影像串流服務(video streaming)等，對於封包延遲時間有較高的要求；而不保證傳輸速率的服務類別如網頁瀏覽(WWW)與 e-mail 等服務，其封包延遲時間相對要求較低，所需之傳輸速率為低於128kbps。

(49)

27

表2.2 UMTS 服務類型與目標 QoS (整理自[Sol10]) 服務類別 封包延遲上限

(ms)

傳輸速率(kbps) 範例服務

保證傳輸速率 100 4-25 語音服務

150 32-384 影像串流服務

300 60 及時遊戲

不保證傳輸速率 300 <128 WWW, e-mail, etc.

100 4-13

<384

語音服務影像串流服務 300 <384

<64

影像串流服務 (with buffering) p2p 檔案分享

2.3.1 無線接取乘載

由於本研究基於連結阻隔機率作為固網配置之效能指標，RAB 為當一個用戶請求一個連結時，此連結需要為了傳送封包訊息而需求的UMTS 網路中資源，因此由系統所配置給此連結的資源以連結UE 與 RNC 並傳送至固網端即為 RAB，因此於本節討論UMTS 中 RAB 特性與類型。

為用戶連結選擇適當的 RAB 主要是由 RNC 中的資源管理功能所實現，且在 RAB 建立請求期間須由 SGSN 提供固網資源資訊及相關參數予 RNC。RAB 通常由以下幾項參數或特性決定：

1. 最大傳輸速率：UMTS 中單位時間內在服務接取點(Service Access Point, SAP)所傳送出或接收到的最大位元(bit)數量。

2. 保證傳輸速率：連結持續時間內在 UMTS 的 SAP 所保證傳送的位元數。

(50)

28

表2.3 列出由 3GPP 所定義的 RAB，可分別對應於本節起始所介紹之四種服務類型，並可看出就不同之服務類型與需求，用戶連結建立之頻寬有不同之需求。

CS 12.2、PS 64 等表示不同的 RAB 類型。

表2.3 3GPP TS 34.108 定義之 RAB 類型 ([3GP04])

RAB 類型 服務類型(3GPP 34.108) 保證傳輸速率(kbps)

CS 12.2 會話類型12.2kbps 12.2

PS 64 互動類型/背景類型 64kbps 64

PS 128 互動類型/背景類型 128kbps 128

PS 384 互動類型/背景類型/串流類型

384kbps

384 註:CS 表示電路交換，PS 表示分封交換

保證傳輸速率可被用來應用於連結允入控制作為可提供的資源之基礎，因此可作為共存系統中資源分配的準則。依據[Li11]之實驗，保證傳輸速率可以下列方式達成：macrocell 與 femtocell 系統的 RNC 及 F-GW 會依據 Iu-ps 介面頻寬以及不同RAB 類型而分配頻寬資源，亦即每個連結會因應不同連結 RAB 的需要而在 Iu-ps 接口上保留一定頻寬資源，因此若 RNC 或 F-GW 無法提供一既有頻寬予任一新進連結的RAB 需求，此連結無法維持其基本傳輸速率而被阻隔掉。

2.4 Macrocell 與 Femtocell 共存系統阻隔機率建模問題與挑戰

在以上2.1-2.3 節介紹了 macrocell 與 femtocell 共存系統之架構與協定堆疊，

描述了用戶之連結需求、數據封包特性、以及系統如何傳送，特別是UMTS 的部分。Macrocell 與 femtocell 用戶靜止及移動時產生的連結需求，其需求流量由

(51)

29

macrocell 基站與 FAP 分別由不同之使用者元件接取，經基站接取網路匯集到 macrocell 系統核心網路後端 Iu-ps 介面，來提供 macrocell 與 femtocell 使用者數據服務。UMTS 採用分封交換作為傳送數據封包的技術，macrocell 與 femtocell 兩種系統之數據服務使用macrocell 系統固網端網路 Iu-ps 接口頻寬容量。

在此共存系統架構下，無線接取所造成的限制，以CAC 機制設計將如何影響兩種系統的連結阻隔機率？以及因無線資源限制，Iu-ps 的資源容量運用及容量可做什麼樣的調整？使用者需求及移動頻率會對接口頻寬的限制產生什麼影響？

2.4.1 共存固網容量的阻隔機率計算之問題描述

在人口密度高或行動通訊訊號在室內品質較差的情況下，使用者為了加強連線使用品質，會在室內裝設 femtocell 來改善。因此使用者可在兩種基站系統間切換接取。[CRR09]指出若使用者經常切換，會對後端固網造成控制訊號傳送顯著的附加負擔(overhead)。

然目前femtocell 尚未大量佈建，對於原先之 macrocell 系統所造成之影響或分流效果尚未明朗。

共存系統中macrocell 與 femtocell 需求流量、單一連結頻寬需求以及固網的容量限制三個部分，都會影響連結阻隔機率。本論文擬探討共存系統後端固網無線接口的限制之及連結允入控制如何影響兩種系統的連結阻隔機率，且使用者需求及移動頻率會對共存系統之CAC 設計產生什麼影響如下：

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30

1. 共存系統後端固網頻寬之配置及連結允入控制如何影響兩種系統的連結阻隔機率：行動網路之無線資源有限，限制了兩系統的流量，需探討分別由macrocell 與由femtocell 轉接至 macrocell 系統的兩種流量需求，經由 CAC 機制的設計，

業者如何決定 Iu-ps 的固網頻寬，並將對兩種基站之連結阻隔機率造成什麼影響?

2. 使用者的行為模式會對共存系統造成什麼樣的影響：當建置 femtocell 系統之後，

探究femtocell 使用者的行為對 macrocell 系統的影響，諸如在室內的停留時間、

使用者在室內的比例、數據服務使用時間、連結頻率的多寡以及服務本身的特性等，藉由討論這些因素對於femtocell 及 macrocell 流量的影響。

本論文藉由建構數學模型來作為macrocell 與 femtocell 共存系統效能分析的基礎。

2.4.2 阻隔機率分析的挑戰

要探討2.4.1 小節中兩個議題，挑戰如下：

C1. Macrocell 與 femtocell 具有不同的連結需求特性，由[KCF10]，macrocell 用戶可能僅使用諸如網頁瀏覽等能快速瀏覽資訊的數據服務，因此使用頻率較高、

使用時間較短且需求頻寬較低；femtocell 用戶則趨向於使用影像串流服務等使用時間較長且需求頻寬較高的數據服務。然而CAC 設計限制了兩系統連結數量，當 femtocell 滿載而造成阻隔時，其接取失敗的使用者只能轉往使用 macrocell 的頻寬資源，因此阻隔機率的計算與系統需求模型息息相關，不易求解。

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C2. 源自 macrocell 與 femtocell 的數據服務連結，在連結期間可能因原先之使用者移動使得需求流量間在macrocell 與 femtocell 系統轉移，因而影響使用者在室內外的機率、接取macrocell 子系統後端頻寬連結的數量以及在 macrocell 使用頻寬資源的時間及容量，進而影響連結阻隔機率分析與計算，為另一項挑戰。

故效能指標與系統模型息息相關該如何求解，為本論文所將面對的主要挑戰；

其求解目的是為了得知各基站的平均流量需求以分析固網容量能提供多少流量而求解其阻隔機率。

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第三章

Macrocell 與 Femtocell 共存系統阻隔機率模型

本章根據第二章所敘述定義的共存系統資源瓶頸所在，以排隊理論為基礎建立連結阻隔機率模型。首先考慮macrocell 與 femtocell 用戶的數據連結需求到達、

移動方式及封包網路的特性來建立無線資源容量限制下的流量模型，並在流量模型上加入連結允入控制(CAC)機制，macrocell 系統可接納之連結數有一上限，其次運用所建模型進行分析，推導出macrocell 系統之連結阻隔機率。

本章組織如下：在3.1 節首先敘述系統效能建模分析的問題假設、需求以及可能遭遇到之困難；3.2 節定義模型符號；3.3 節參考[MHH11]分別針對 femtocell 基站及 macrocell 基站以廣義馬可夫鏈分析進行連結數據流量建模；3.5 節分析流量轉移機率；3.6 節分析系統可接納連結數並總結 3.3 節之推導，以求出 macrocell 系統之阻隔機率；3.7 節則總結整體模型架構。

3.1 數據流量模型建立需求

共存系統需考慮來自macrocell 與 femtocell 之連結流量。從建立連結需求的層面來看，在UMTS 系統中有許多不同的數據服務類型，系統需提供不同的服務頻寬予不同之服務需求，例如第二章所探討的網頁瀏覽頻寬需求為128kbps 等。本論文首先從單純的情形來探討共存系統效能分析，考慮macrocell 與 femtocell 系統皆提供單一服務，分別為網頁瀏覽服務及影音串流服務。

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34

由第二章共存系統之架構與說明可得知，行動通訊系統實際存在無線資源的限制，而macrocell 系統擁有後端固網資源-Iu-ps 介面的頻寬容量，由 RNC 提供頻寬資源予macrocell 使用者與由 femtocell 轉接至 macrocell 的用戶之數據服務連結。

我們利用排隊(queueing)流量模型描述此共存系統。藉由模型建立，我們可探討用戶的服務需求、服務品質、對頻寬的需求以及既有鏈結容量(link capacity)等因素之間的關係，以達到分析服務品質的目的。

3.1.1 模型情境設定

系統情境設定為在都市環境中的一個macrocell 基站及多個 femtocell 基站的共存系統，我們參考[KOC11]，假設業者採用頻帶為不相交(disjoint)的方式以避免 femtocell 間訊號傳輸的干擾。另外根據 AT&T 推出之 femtocell 服務的使用者手冊 [ATT09]，其中建議使用者避免將兩個 femtocell 基站安裝在同一建築物內，且 femtocell 涵蓋範圍小，互相干擾機率低，因此我們假設 femtocell 基站之間涵蓋範圍不相重疊。由於 femtocell 多建置在室內環境，訊號經過如建築物的牆壁等物體阻擋，對於macrocell 基站所產生之干擾很小，因此假設 femtocell 與 macrocell 之間亦沒有干擾。為簡化而不失重點，本研究暫不考慮 femtocell 用戶會離開此共存系統。

3.1.2 共存系統 CAC 機制

圖2.3 所示之共存系統架構中，因應來自 macrocell 與 femtocell 之連結需求，

由macrocell 架構之 RNC 須對 macrocell 以及 femtocell 連結需求進行個別的 CAC。

兩者之上，另有一ACCC(Admission Control for Coexistence Coordinator)管理系統負

(57)

35

責協調 RNC 所採用之 CAC 機制是否接受新進連結，並提供資訊給 RNC 計算 macrocell 基站的阻隔機率。ACCC 管理系統由資料庫讀入使用者行為統計數值，

如用戶需求到達率、使用多久時間等，藉 ACCC 中的連結阻隔機率模型計算出 macrocell 系統的連結阻隔機率。由於 ACCC 能隨著使用者移動行為模式的不同或依不同之連結頻寬需求而計算出macrocell 基站之阻隔機率，因此可提供電信業者作為管理共存系統之服務品質以及建置固網成本之參考。

本小節旨在討論數據傳輸之頻寬需求特性、連結允入控制及頻寬分配的決策指標，以作為共存系統後端固網連結訊息的傳遞與中央管理協調。我們新設計一個 ACCC 系統方塊如圖 3.1 所示，其中粗黑方塊即為 ACCC，負責協調 RNC 與 F-GW 之CAC 管理設計。其主要功能設計如下：

我們藉由 HLR 與 SGSN 儲存使用者設備與基站連結時的資訊之功能，可以記錄macrocell 與 femtocell 使用者連結到達資訊與持續時間，以得知用戶數據連結需求到達以及移動方式特性，作為阻隔機率建模資訊的輸入與建檔。

其他共存系統固網容量之頻寬分享所牽涉到的系統元件與協議分別敘述如下。

在給定之 macrocell 頻寬容量限制下，連結允入控制有一連結數量上限，藉由加入 ACCC 之連結建立程序，我們可依據用戶需求及特性、封包網路特性以及連結數上限值計算共存系統連結阻隔機率。圖3.2 為參考第二章說明的 macrocell 系統RNC 允入控制流程加進 ACCC 之設計而成，以表示由使用者設備至 Iu-ps 介面的流程，縱軸往下為時間進行的方向。

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(1) 由 macrocell 或 femtocell 使用者設備提出連結建立請求消息，並透過 RRC 和 RANAP 協議到達核心網路。核心網路發送承載(bearer)分配消息以觸發無線電承載的建立(可參照第二章 RAB 的說明)；

(2) 連結建立訊息到達後，如圖 3.2 中紅色雙向箭頭所示，先由 ACCC 與後端固網端 Iu-ps 確認資源是否足夠供應 macrocell 或切換至 macrocell 之femtocell 連結服務之所需；

(3) ACCC 通知位於 RNC 或 F-GW 之 CAC 演算法負責執行接受或拒絕連結請求建立的步驟，CAC 執行步驟位於圖 3.2 中之橘色橢圓；假設 Iu-ps 具有容量BW_Iu__ps(bps)；

(4) 若接受此連結請求，RNC 會透過無線電承載在無線接口與 Iub 接口上建立資源，使得 macrocell 或切換至 macrocell 系統之 femtocell 用戶連結需求能分別成功接取；

(5) 後端所需連結資源在分封網路接口上建立資源，若建立過程成功，無線電承載訊息會給定一分配回應(response)以確認無線電乘載的建立。

 進入系統之連結依據 Iu-ps 特性分享頻寬，因此每一接取服務之連結在系統中因應不同之連結數共享頻寬資源，亦即因應系統之連結數目的狀態，單一連結傳輸頻寬容量依不同狀態而變化。

 以 macrocell 系統阻隔機率之計算作為評估系統效能之準則，由於 CAC 保證進入系統之連結能有一定QoS，然新進連結被阻隔之機率應較一沒有 CAC 之

(59)

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共存系統高。

圖3.1 加入 ACCC 之 3G UMTS 共存系統架構

圖3.2 ACCC 於共存系統中涉及的協議訊息

3.2 連結阻隔機率模型符號定義

阻隔機率計算模型由(1)數據連結及流量需求子模型(2)連結的資源佔用時間分析(3)連結及流量移轉子模型(4)macrocell 與 femtocell 連結阻隔機率計算子模型(5)