TWI755891B - 通訊系統、方法及其電腦程式產品 - Google Patents

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TWI755891B
TWI755891B TW109135653A TW109135653A TWI755891B TW I755891 B TWI755891 B TW I755891B TW 109135653 A TW109135653 A TW 109135653A TW 109135653 A TW109135653 A TW 109135653A TW I755891 B TWI755891 B TW I755891B
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Abstract

本發明係提供一種通訊系統，包括一基站。基站包括複數分散單元、一中央單元及一主處理器。主處理器根據使用者設備目前的通訊品質，從集中控制模式及分散控制模式中選擇使用者設備所對應的一模式，其中功能分割模式包含集中控制模式及分散控制模式。

Description

通訊系統、方法及其電腦程式產品
本發明關於通訊技術領域，特別是關於基站與使用者設備之間的通道協調之技術領域。
第五代行動通訊技術(5th generation mobile networks，5G)具備多元化通訊服務型態，例如eMBB、uRLLC等通訊服務，因此5G通訊不僅可提供高傳輸容量來滿足用戶體驗，更必須在資源有限的情況下盡可能地提供滿足這些通訊服務。然而，目前市面上仍缺乏在具備混合通訊服務的行動網路架構下提供具備彈性且高效的功能分割技術，且在5G基站的中央單元(central unit，CU)及分散單元(DU)佈建下處理器該如何進行資源共享及根據服務調整參數亦有困難度，此外，要如何在有限資源下快速提供各通訊通道的聯合傳輸服務，也是目前尚未解決的問題。
有鑑於此，本發明提供一種改良的通訊系統、方法及其電腦程式產品，來解決上述的問題。
基於上述目的，本發明提供了一種通訊系統。通訊系統包含：支援複數種通訊服務型態的基站。基站包含：分散單元、中央單元及主處理器。分散單元用於與使用者設備產生連結；中央單元連接分散單元；主處理器執行控制模式選擇程序，以根據使用者設備目前的通訊品質需求，選擇使用者設備所對應的功能分割模式，其中功能分割模式包含集中控制模式及分散控制模式；其中，集中控制模式為：由中央單元分配對應使用者設備的分散單元，以及由中央單元負責使用者設備的通訊排程安排(scheduling)，分散控制模式為：由使用者設備目前對應的分散單元負責使用者設備的通訊排程安排。
此外，本發明另提供一種用於通訊系統的通訊方法，其中通訊系統包含支援複數種通訊服務型態的基站，且基站包含分散單元、中央單元及主處理器，其中每個分散單元用於與使用者設備產生連結，中央單元連接分散單元。通訊方法包含步驟：藉由該主處理器執行控制模式決定機制，以根據使用者設備目前的通訊品質需求，選擇使用者設備所對應的功能分割模式，其中功能分割模式包含集中控制模式及分散控制模式；其中，該集中控制模式為：由中央單元分配對應使用者設備的分散單元，以及由中央單元負責使用者設備的通訊排程安排，分散控制模式為：由使用者設備目前對應的分散單元負責使用者設備的通訊排程安排。
另外，本發明另提供用於通訊系統的主處理器的一種電腦程式產品。通訊系統包含支援複數種通訊服務型態的基站，且基站包含分散單元、中央單元及主處理器，其中分散單元用於與使用者設備產生連結，中央單元連接分散單元，其中電腦程式產品包含：一指令，使主處理器執行控制模式選擇程序，以根據使用者設備目前的通訊品質需求，選擇使用者設備所對應的功能分割模 式，其中功能分割模式包含集中控制模式及分散控制模式；其中，集中控制模式為：由中央單元分配對應使用者設備的分散單元，以及由中央單元負責使用者設備的通訊排程安排，分散控制模式為：由使用者設備目前對應的分散單元負責使用者設備的通訊排程安排。
1:通訊系統
10:基站
12:中央單元(CU端)
14:分散單元(DU端)
16:主處理器
18:電腦程式產品
20:使用者設備(UE端)
S11~S19:步驟
S141~S143:步驟
S151~S153:步驟
圖1是本發明一實施例的5G通訊技術下中央單元及分散單元的功能分割方式示意圖。
圖2是本發明一實施例的通訊系統的系統架構圖。
圖3是本發明一實施例的通訊方法的主要流程圖。
圖4為本發明一實施例的可解區域縮減程序(步驟S14)的細部流程圖。
圖5為本發明一實施例的全域最佳解搜尋程序(步驟S15)的細部流程圖。
圖6為本發明一實施例通訊方法與其它控制模式的效果比較模擬圖。
圖7是本發明一實施例的通訊系統與現有系統架構的系統效能比較模擬圖。
以下將透過多個實施例說明本發明的實施態樣及運作原理。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，透過上述實施例可理解本發明的特徵及功效，而可基於本發明的精神，進行組合、修飾、置換或轉用。
本文所指的“連接”一詞係包括直接連接或間接連接等態樣，且並非限定。本文中關於”當...”、”...時”的一詞係表示”當下、之前或之後”，且並非限定。
本文中所使用的序數例如“第一”、“第二”等之用詞，是用於修飾請求元件，其本身並不意含及代表該請求元件有任何之前的序數，也不代表某一請求元件與另一請求元件的順序、或是製造方法上的順序，該些序數的使用僅用來使具有某命名的一請求元件得以和另一具有相同命名的請求元件能作出清楚區分。
本文記載多個功效(或元件)時，若在多個功效(或元件)之間使用「或」一詞，係表示功效(或元件)可獨立存在，但亦不排除多個功效(或元件)可同時存在的態樣，換言之，只要描述的態樣合理，「或」一詞包含「及」之態樣。
本發明的目的之一為：使支援多種通訊服務型態的5G基站(base station，BS)在處理下行通道(downlink channel)的資料傳輸時，能夠根據服務範圍內的使用者設備(user equipment，以下簡稱UE端)的通訊品質而自動調整使用者設備所對應的中央單元(central unit，以下簡稱CU端)與分散單元(distributed unit，以下簡稱DU端)的功能分割模式。
圖1是本發明一實施例的5G通訊技術下CU端及DU端的功能分割方式示意圖。如圖1所示，5G通訊架構共可分為九個協定層，亦即無線資源控制(RRC)、分類資料彙距協定(PDCP)、高無線電鏈路控制(High RLC)、低無線電鏈路控制(Low RLC)、高媒體存取控制(High MAC)、低媒體存取控制(Low MAC)、高物理層(High PHY)、低物理層(Low PHY)、射頻(RF)。而中央單元及分散單元在這些協定層之間可具備不同的功能分割方式，例如以某一協定層做為CU端與DU端的分界。本發明的功能分割模式是以High MAC做為切割分界。
本發明的功能分割模式包含一集中控制模式(centralized control mode，以下簡稱CM模式)及(distributed control mode，以下簡稱DM模式)，其中CM模式是將High-MAC層放置於CU端，DM模式則是將High-MAC層放置於DU端，其中High-MAC層的主要功能為通訊排程安排(Scheduling)及干擾協調(Interference Coordination)。據此，CM模式是由CU端來處理UE端與基站之間的排程安排及干擾協調，其中CU端具備全域知識(global knowledge)的通道狀態資訊(channel state information,CSI)，並可分配每個UE端所對應(連結)的一或多個DU端，並由CU端負責UE端的通訊排程安排。反之，DM模式則是由UE端目前所對應的DU端來負責該UE端的通訊排程安排。
接著將說明本發明的通訊系統的架構。
圖2是本發明一實施例的通訊系統1的系統架構圖。本發明的通訊系統1包含一基站10。基站10可提供支援5G的多種通訊服務型態的一服務範圍，以供服務範圍內的多個UE端20使用該等通訊服務型態，其中通訊服務型態包含eMBB服務及uRLLC服務，且不限於此。此外，基站10可包含一CU端12、複數個DU端14及至少一主處理器16。為方便說明，以下假設基站10包含一個CU端12(例如CU1)及N個DU端14(例如DU1~DU(N))，且基站10的服務範圍內有M個UE端20(例如UE1~UE(M))其中，M及N為大於1的正整數。此外，CU端12與DU端14可共用主處理器16，但DU端14亦可各自具備處理器(以下稱之為子處理器)。
CU端12(例如CU1)可連結DU端14(例如DU1~DU(N))，此處「連結」可例如是有線傳輸或無線傳輸，其中在無線傳輸的情況下，CU端12與DU端14可設置於不同地點。此外，CU端12可包含一或多個伺服器，其中主處理器16可設置於該等伺服器之中，但不限於此。
DU端14(例如DU1~DU(N))可與UE端20(例如UE1~UE(M))產生通訊連結(亦即可建立通訊通道)，一DU端14可同時與多個UE端20連結，以提供服務。此外，一UE端20亦可同時與多個DU端14連結，例如可使用協調多點(corrdinated multipoint，CoMP)的聯合傳輸技術來實現。
此外，主處理器16可執行一電腦程式產品18。電腦程式產品18包含複數個指令，而主處理器16可根據該等指令而執行本發明的各種運作。在一實施例中，主處理器16可藉由電腦程式產品18的指令而執行一控制模式選擇程序，以根據UE端20目前的通訊品質需求，選擇適合UE端20所對應的功能分割模式(CM模式或DM)模式。此外，主處理器16可設置於CU端12中，但亦可設置於CU端12外部，並與CU端12連結。在一實施例中，主處理器16亦可由DU端14的子處理器來替代，或直接將資料交由一雲端處理器進行處理，且不限於此。
在一實施例中，控制模式選擇程序包含步驟：主處理器16將一UE端20的一功率差比(power level difference，PLD)平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0008-1
)與該UE端20目前對應的DU端14(亦即目前服務該UE端20的DU端14)的一功率差比閥值(γ n,s)進行比較，且當該功率差比平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0008-2
)小於或等於該功率差比閥值(γ n,s)時，主處理器16執行CM模式，反之則執行DM模式。
其中，功率差比(PLD)是定義為UE端20對於與其距離最近的DU端14及距離次近的DU端14所提供的功率的接收比值。功率差比閥值(γ n,s)是定義為DU端14在特定通訊服務型態(uRLLC或eMBB)下必須符合的功率差比，其中n表示第n個DU端，其中n為正整數。功率差比平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0008-3
)的參數g j,k 表示第j個DU端14與第k個UE端20之間的大規模衰減(large scale fading)，c k(1)表示第k個UE 端20所接收的最大功率來源的DU端14之編號，c k(2)表示第k個UE端20所接收的第二大功率來源的DU端14之編號。
由此可知，當UE端20的功率差比平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0009-4
)小於或等於目前對應的DU端14的功率差比閥值(γ n,s)時，表示與UE端20距離次近的DU端14的功率被視為雜訊，並會對UE端20的通訊品質造成一定程度的威脅，因此UE端20須改為聯合傳輸技術，主處理器16會將UE20的傳輸分配為使用CM模式。
此外，在一實施例中，CU端12與各DU端14之間可透過前端通道(Fronthaul)連結。在一實施例中，各DU端14之間不具備通訊功能，因此各DU端14之間是透過CU端12進行資訊交流。
在一實施例中，DU端14、使用eMBB服務的UE端20及使用uRLLC服務的UE端20之間的分布配置是基於二維卜瓦松過程(poisson point process，以下簡稱PPP配置)。
在一實施例中，DU端14及CU端12採用處理器共享模型(processor sharing model，以下簡稱PS架構)架構，其中PS架構的特性為：當一處理器接收一封包時，不論該封包的大小及複雜度為何，該處理器皆會平均分配計算資源給該封包以及正在處理的其它封包。另外，由於PS架構可支援多元通訊服務型態，因此適用於本發明的通訊系統1。
由於本發明關聯於CU端12及DU端14的功能分割模式，而功能分割模式的效果取決於SINR以及點對點延遲(end to end delay，E2E delay)機率，因此通訊系統1所執行的自動控制模式選擇程序必須符合二條件：(1)使通訊系統1的運作具備最小的點對點延遲機率；(2)確保每個UE端20的SINR能符合該UE端20所使用的特定通訊服務之要求。
在一實施例中，自動控制模式選擇程序必須符合的二條件可由一第一條件式及一第二條件式來呈現，其中，第一條件式可視為點到點延遲的最小發生機率(亦可視為最小延遲中斷機率)，第二條件式可視為SINR平均值的需求：
Figure 109135653-A0305-02-0010-5
Figure 109135653-A0305-02-0010-6
 其中，p定義為通訊系統1中每個DU端14的p n,m,s(此參數將於後續段落再說明)組成的矩陣，Γreq,s為服務S(uRLLC或eMBB)所需求的SINR平均值。
為符合上述二條件，本發明提供用於通訊系統1的通訊方法(自動控制模式選擇程序)。
圖3是本發明一實施例的通訊方法的主要流程圖，並同時參考圖1及圖2。圖3可用於顯示自動控制模式選擇程序的細節。
如圖3所示，首先步驟S11被執行，通訊系統1進行初始化設定。在此步驟中，通訊系統1會預先設定其支援的各種通訊服務型態所需求的SINR(Γreq,s)以及各DU端14的分布密度(定義為λ D)。在一實施例中，Γreq,s及λ D可由系統管理者輸入至主處理器16中，但不限於此。
之後步驟S12被執行，基站10服務範圍內的每個UE端20各自與通訊狀態良好的DU端14進行連結，以讓主處理器16可得知各UE端20的傳輸品質。在一實施例中，「通訊狀態良好」可例如是訊號強度高、不擁擠或目前低雜訊等情形，且不限於此。此外，由於每個UE端20與每個DU端14的距離皆不同，因此對於不同UE端20而言，通訊狀態良好的DU端14可能會不相同。
之後步驟S13被執行，每個DU端14各自向CU端12報告目前對應(目前服務)的UE端20的數量及各UE端20所使用的特定通訊服務(例如uRLLC或eMBB)之比例。舉例來說，主處理器16可得知例如「DU1目前對應UE1至UE4」、「UE1、UE3及UE4使用uRLLC服務」、「UE2使用eMBB服務」、「uRLLC服務與eMBB服務的比例為3：1」等資訊。
之後，主處理器16開始尋找每個DU端14的功率差比閥值(γ n,s)的最佳值。由前述段落可知，UE端20的功率差比平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0011-7
)與其對應的DU端14的功率差比閥值(γ n,s)之間的大小關係將決定該UE端20被分配為CM模式或DM模式，因此如何決定每個DU端14的功率差比閥值(γ n,s)的最佳值會是本發明的重點之一。主處理器16尋找DU端14的功率差比閥值(γ n,s)的最佳值的步驟可包含步驟S14至S16。
步驟S14為，主處理器16執行一可解區域縮減程序，以找出每個DU端14的功率差比閥值(γ n,s)所對應的一服務分配控制比例(p n,CM,s)的最佳值的一通用下限(p L,s)。其中，服務分配控制比例(p n,CM,s)可定義為在一特定通訊服務型態S下，第n個DU端14所對應的一或多個UE端20使用CM模式的比例。
此處先對步驟S14的細節進行說明，請同時參考圖1至圖4，其中圖4為本發明一實施例的可解區域縮減程序的細部流程圖。
如圖4所示，首先步驟S141被執行，主處理器16透過一第一轉換機制取得每個DU端14在特定通訊服務型態S下的一最小功率差比閥值(γ L,s)，其中第一轉換機制關聯於UE端20在特定通訊服務型態S下須符合的SINR與γ n,s之間的轉換。
在步驟S141中，由於主處理器16已在步驟S11中取得各種通訊服務型態S所需求的SINR，因此主處理器16可直接取得Γreq,s。
而在一實施例中，第一轉換機制可透過第一方程式呈現：
Figure 109135653-A0305-02-0012-8
 其中，E{Γs(r)}定義為使用特定通訊服務s的UE端20的SINR平均值，其亦可由Γreq,s直接代入，Γs(r)定義為當使用特定通訊服務s的UE端20與距離最近的DU端14之間為r時，UE端20的SINR，b(r,1)定義為在PPP分布中，使用特定通訊服務s的UE端20與距離最近的DU端14之間的距離為r的機率。
進一步地，在一實施例中，「s(r)可透過一第二方程式呈現：
Figure 109135653-A0305-02-0012-9
 其中，P．r -α 定義為第n個DU端14的訊號功率，
Figure 109135653-A0305-02-0012-10
及
Figure 109135653-A0305-02-0012-11
定義為其它DU端14的訊號功率(在此被視為干擾)，σ 2 定義為雜訊功率。
根據第二條件式，E{Γs(r)}的最低要求為Γreq,s，因此主處理器16可藉由第一方程式的反函數(例如可透過內插法計算)而取得每個DU端14的滿足第二條件式的最小功率差比閥值(γ L,s)。
之後步驟S142被執行，主處理器16透過一第二轉換機制取得每個DU端14的最小功率差比閥值(γ L,s)所對應的一服務分配控制比例(p n,CM,s)，其中第二轉換機制關聯於服務分配控制比例(p n,CM,s)與功率差比閥值(γ n,s)之間的轉換。
在一實施例中，第二轉換機制可透過一第三方程式呈現：
Figure 109135653-A0305-02-0012-12
 其中，r 1 定義為目前對應第n個DU端14的UE端20與其距離最近的一個DU端14之間的距離，r 2 定義為目前對應第n個DU端14的UE端20與其距離次近的一個DU端14之間的距離。此外
Figure 109135653-A0305-02-0013-13
，且b joint (r 1 ,r 2 )可用於定義二種情況的聯合機率，其中情況一為：UE端20目前對應的DU端14即為距離最近的DU端14，情況二為：UE端20目前對應的DU端14即為距離次近的DU端14。
由於主處理器16已取得每個DU端14的最小功率差比閥值(γ L,s)，因此主處理器16可將DU端14的γ L,s做為γ n,s而代入第三方程式中，進而取得由γ L,s轉換而成的p n,CM,s，其中每個DU端14所對應的p n,CM,s可能不相同。
之後步驟S143被執行，主處理器16從該等p n,CM,s中找出一最小值，並以最小值做為通用下限(p L,s)。藉此，可解區域縮減程序可完成。
請再次參考圖3。步驟S14完成後，步驟S15被執行，主處理器16執行一全域最佳解搜尋程序，進而找出每個DU端14的一最佳服務分配控制比例(P*)，換言之，步驟S15的目的為：在已知DU端14的最佳服務分配控制比例(P*)的通用下界(p L,s)的情況下，找出每個DU端14的最佳服務分配控制比例(P*)。
此處先對步驟S15的細節進行說明，請同時參考圖1至圖5，其中圖5為本發明一實施例的全域最佳解搜尋程序的細部流程圖。
如圖5所示，首先步驟S151被執行，主處理器16取得使用通訊服務型態S的所有UE端20的數量、通用下限p L,s及每個DU端14對應通用下限p L,s的服務分配控制比例p n,CM,s。
之後步驟S152被執行，主處理器16將通訊系統1的延遲中斷機率
Figure 109135653-A0305-02-0013-14
設定為方程式f n (p)。
之後步驟S153被執行，主處理器16以牛頓法對每個DU端14執行f n (p)、f' n (p)及H(f n (p)之計算，以找出最佳服務分配控制比例(P*)，其中f' n (p)定義為f n (p)的一次微分，H(f n (p)定義為f n (p)的二次微分。
在一實施例中，步驟S153可分為：(1)計算Δp=-H(f n (p))-1 f' n (p)，(2)計算步差Δ=|f n (p+Δp)-f n (p)|，(3)計算p=p+Δp，(4)重複執行(1)~(3)，直至步差小於一門檻值或者迭代次數已達上限。
藉此，全域最佳解搜尋程序可完成，主處理器16可找出每個DU2端14的最佳服務分配控制比例(P*)。
請再次參考圖3。接續步驟S15，步驟S16被執行，主處理器16根據每個DU端14的最佳服務分配控制比例(P*)而找出DU端14的功率差比閥值(γ n,s)的最佳值。
在一實施例中，主處理器16可將每個DU端14的最佳服務分配控制比例(P*)代入第二方程式中，並回推而取得一功率差比閥值(γ n,s)，此時該功率差比閥值(γ n,s)即為最佳值。藉此，主處理器16可找出每個DU端14的功率差比閥值(γ n,s)的最佳值。
之後，主處理器16執行步驟S17及S18。步驟S17為：每個DU端14向CU端12報告目前對應(目前服務)的UE端20的通訊品質，使主處理器16取得每個UE端20的SINR平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0014-15
)。
步驟S18為：主處理器16比較每個UE端20的SINR平均值(
Figure 109135653-A0305-02-0015-17
)與其目前對應的DU端14的功率差比閥值(γ n,s)的最佳值，並根據控制模式選擇程序決定UE端20該分配為CM模式或DM模式。
之後步驟S19被執行，主處理器16依照步驟S18的結果重新分配UE端20及DU端14。藉此，自動控制模式選擇程序可被完成，通訊系統1的運作可符合第一條件式及第二條件式。
圖6為本發明一實施例通訊方法與其它控制模式的效果比較模擬圖，其中第一比較例為將全部UE端20皆分配為CM模式的控制模式，第二比較例的控制模式是隨機分配UE端20所對應的功能分割模式。此外，圖6中的橫軸表示為eMbb的密度，縱軸表示為uRLLC目前發生的延遲。
如圖6所示，本發明的通訊方法發生延遲中斷的情形最少，因此可提供較好的通訊品質。由此可知，本發明的通訊方法確實可提升通訊品質。
接著，為使本發明的說明更明確，以下將說明各方程式的推導過程。
[功能分割與訊號雜訊比]
在本發明的通訊系統中，若一個UE端20(例如UE(k)，k為正整數)在未使用聯合傳輸的情況下，其在特定時間點t的SINR為：
Figure 109135653-A0305-02-0015-18
 其中C k (j)定義為將UE(k)從每個DU端14接收到的功率由大至小排序(例如DU1、DU2、...、DU(N))，其中j=1~N，P定義為DU端的傳輸功率，σ2定義為雜訊功率，
Figure 109135653-A0305-02-0015-19
定義為DU(j)與UE(k)之間的大規模衰減(large scale fading)，n j,k (t)定義 為DU(j)與UE(k)在時間t的小規模衰減(small scale fading)，d定義為DU(j)與UE(k)之間的距離，α定義為路徑損耗指數(path loss exponent)。
此外，UE(k)的功率差比(PLD)定義為最大接收功率與次大接收功率的比值，可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0016-20
在長時間下，小規模衰減可能無作用，因此假設小規模衰減的平均值為1，則UE(k)的功率差比平均值可視為只與大規模衰減有關的函數，故可表示為
Figure 109135653-A0305-02-0016-21
。
進一步地，使用服務s的UE(k)的SINR(「 k,s)可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0016-22
 其中Γ k,s定義為使用服務S的UE(k)的SINR平均值，γ n,s定義為在DU(k)的服務範圍中，服務S需求的功率差比閥值。
藉由算式4，當
Figure 109135653-A0305-02-0016-23
小於或等於γ n,s時，處理器16會將UE(k)分配為CM模式，反之，則將UE(k)分配為DM模式。
[點到點延遲(end to end delay，E2E delay)]
本案的技術考量的是功能分割的架構，因此一個服務S的封包在功能分割模式m的情況下，透過DU(n)傳輸而發生的點到點延遲(
Figure 109135653-A0305-02-0016-24
)可能包含：封包在CU端12的滯留時間(
Figure 109135653-A0305-02-0016-25
)、封包在前端通道的傳輸時間(
Figure 109135653-A0305-02-0016-27
)以及封包在DU端14的滯留時間(
Figure 109135653-A0305-02-0016-26
)，因此，點到點延遲(
Figure 109135653-A0305-02-0016-28
)可視為封包從抵達CU端12直至被UE端20成功接受所花費的時間，並因此可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0017-29
 其中，
Figure 109135653-A0305-02-0017-30
，其表示CU端12與DU端14之間的前端通道的傳輸速率，而F s表示原始封包大小，而ξ m為封包於功能分割模式m下的放大率。
接著進一步探討封包在CU端12與DU端14的滯留時間：
在一實施例中，由於本案的處理器是採用PS架構，因此處理器16會將運算資源平均分配給所有封包(不論封包的大小)。在一範例中，若處理器16為處理器X，其運算能力為Sx(CPU circles/Slot)，且當一個封包抵達時，處理器X已在處理q個封包，則此封包將為得到Sx/(q+1)的運算資源。因此，使用服務S的封包抵達正在處理q個封包的處理器X時的滯留時間可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0017-31
 其中WX,m,s定義為處理器X在服務S及功能分割模式m的情況下的處理量。
接著進一步探討處理器X的工作負載(亦即一段時間內，處理器X接收到封包並進行處理的比例)。處理器X的工作負載與其服務的UE數量、服務S的封包的抵達率(arrival rate)及工作量相關，因此可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0017-32
 其中，
Figure 109135653-A0305-02-0017-33
定義為工作負載，i定義為第i個DU端的編號，K n,s 定義為DU(n)的服務範圍中，使用服務S的UE數量，μs定義為使用服務S的封包的抵達率，p n,m,s定義為DU(n)將使用服務S的UE分配為功能分割模式m的比例(functional split mode allocation ratio，FAR)，FAR滿足等式Σm p n,m,s=1，C定義為CU端，D定義為DU端。
此外，PS架構的機率特性可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0018-34
，以及
Figure 109135653-A0305-02-0018-35
 其中，
Figure 109135653-A0305-02-0018-36
定義為使用服務S的封包在功能分割模式m下，在處理器X的滯留時間，τ X,m,s(q)定義為使用服務S的封包抵達正在處理q個封包的處理器X時的滯留時間(亦即算式六)，
Figure 109135653-A0305-02-0018-37
表示處理器X i 正在處理的封包數量，X i 定義為第i個處理器X的編號。
[延遲中斷機率]
假設一個由DU(n)傳遞的服務S的封包的點到點延遲定義為
Figure 109135653-A0305-02-0018-65
，則
Figure 109135653-A0305-02-0018-38
，又假設將服務S對於點到點延遲的需求以t req,s(ms)表示，在功能分割模式m下，由DU(n)傳遞的服務S的封包的點到點延遲可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0018-39
 其中，
Figure 109135653-A0305-02-0018-40
，且τ CO,m為功能分割模式m下的控制延遲(control delay)。
由算式10可知，與延遲中斷機率有關的分別是封包於CU端12及DU端14滯留的時間，而滯留的時間會與處理器16(例如CU端12及DU端14各自連接一個處理器)正在處理的封包個數
Figure 109135653-A0305-02-0018-41
有關，因此算式10可推導為：
Figure 109135653-A0305-02-0019-42
 其中，q C與q D分別為封包在抵達CU及DU時，處理器16正在處理的封包數量。Z Cm,s與Z D,m,s(q C)分別為q C及q D的最大值。
由算式11可知，當封包抵達CU端12時，處理器16正在處理的封包數量大於Z Cm,s，或當封包抵達DU時，處理器16正在處理的封包數量大於Z D,m,s(q C)，延遲中斷將會發生。因此，為了不發生延遲中斷，封包於CU端12及DU端14的滯留時間須為：
Figure 109135653-A0305-02-0019-43
又由於本發明採用PS架構，因此利用算式6，算式12可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0019-44
將q D以0代入，可得到封包於CU端12的最大滯留時間T C。而將q C以已知數代入，可得到封包於DU端14的最大滯留時間T D(q C)。T C與T D(q C)可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0019-45
透過算式14，Z C,m,s與Z D,m,s(q C)可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0019-46
 其中
Figure 109135653-A0305-02-0019-47
，且η．β m,C表示DU端14與CU端！的處理器16的處理效能比，β m,D表示為處理量分配比。
之後，將算式15的Z C,m,s、T C及Z D,m,s(q C)代入算式11，並以等比級數的方式進行加總，則在功能分割模式m下，一個由DU(n)傳遞的服務S的封包的延遲中斷機率可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0020-48
而在不限定功能分割模式的情況下，算式16可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0020-49
由算式17可知，延遲中斷機率
Figure 109135653-A0305-02-0020-50
可為凸函數。凸函數的特性為全域最佳解搜尋程序的必要條件。
[PLD下的SINR推導]
假設DU端14皆為PPP分布，且所有DU端14的傳輸功率皆為P，則任一UE端20在距離r l 至r u 的範圍內所接收到的所有DU端14的訊號功率平均值可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0020-51
 其中λ D為DU端14的分布密度。
由於DU端14的PPP分布關聯於PLD的大小，且SINR亦會受其影響，因此藉由算式18計算UE端20的接收功率，可得知當服務為S的一UE端20與最鄰近的DU端14之間的距離為r時，該UE端20的SINR可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0020-52
 其中
Figure 109135653-A0305-02-0020-53
。
藉此，第二方程式的推導過程已可被理解。
此外，若需進一步取得UE端20的SINR平均值，則必須考量DU端14與UE端12之間的距離資訊及統計特性。因此，在DU端14的PPP分布下，與UE端20第j遠的DU端14位於距離r的機率可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0021-54
藉由算式20，可知服務為S的UE的SINR平均值為：
Figure 109135653-A0305-02-0021-55
藉此，第一方程式的推導過程已可被理解。
[問題界定]
本發明的技術著重於最小化uRLLC服務的延遲中斷機率，同時兼顧uRLLC服務與eMBB服務的資料傳輸率，因此問題界定可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0021-56
及
Figure 109135653-A0305-02-0021-57
對於通訊系統1而言，調整FAR來滿足問題界定是合理且可實現的方式，因此圖3之通訊方法的目標即為找出最佳FAR(亦即透過調整FAR使各處理器16的工作負擔得到調整)，進而最小化uRLLC服務的延遲中斷機率。
此外，在PLD方法中，由於只考慮大範圍衰減的情況，功率差比閥值γ n,s會與將大範圍內的DU端14是否納入聯合傳輸有關，因此其亦會影響p n,m,s(例如p n,CM,s)及SINR平均值。由此可知，選擇適當的FAR可使通訊系統1滿足問題界定的條件。
另外，p n,CM,s與一DU端14(例如DU(n))的功率差比閥值γ n,s的關係可表示為：
Figure 109135653-A0305-02-0022-58
 其中p n,CM,s對於γ n,s而言屬於單調上升函數。
藉此，第三方程式的推導過程可被理解。
本發明可提升傳輸的可靠度。請再次參考圖6，在一實施例中，當延遲限制皆為1ms的情況，意即延遲中斷機率定義為在某情境下傳輸無法達到1ms延遲限制之機率，則由圖6可知，本發明的方法能在1ms的延遲限制下，使得1000個使用eMBB服務的用戶(λ e=1000)達到約0.00001之可靠度，亦為進行10萬次傳輸平均僅一次未達1ms之延遲標準。
本發明亦可提供良好的系統表現效能。圖7是本發明一實施例的通訊系統(標示為OFD)與現有系統架構(First-come-first-serve佇列機制，標示為FCFS)的系統效能比較模擬圖，其中數據所顯示為頻譜效益(bps/Hz)。如圖7所示，當使用eMBB服務的用戶數量提高時，雖然OFD架構與FCFS架構的整體傳輸速率皆會下降，但OFD架構相較於現有的FCFS架構(亦即無採用任何措施)有著更好的系統效能表現，例如當營運商以100MHz之頻寬進行傳輸，則可在3000個eMBB用戶時(λ e=3000)達到380Mbps之用戶傳輸速率，而FCFS只能達到360Mbps之用戶傳輸速率。
藉由本發明的通訊系統、通訊方法及電腦程式產品，基站的處理器可自動分配各使用者設備的功能分割模式，以達到最低延遲機率的效果，使得通訊品質大幅提升。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1:通訊系統
10:基站
12:中央單元(CU端)
14:分散單元(DU端)
16:主處理器
18:電腦程式產品
20:使用者設備(UE端)

Claims (9)

  1. 一種通訊系統(1)，包含：一基站(10)，支援複數種通訊服務型態，其中該基站(10)包含：複數個分散單元(14)，用於與複數個使用者設備(20)產生連結；以及一中央單元(12)，連結該等分散單元(14)；一主處理器(16)，執行一控制模式選擇程序，以根據一使用者設備(20)目前的通訊品質需求，選擇該使用者設備(20)所對應的一功能分割模式，其中該功能分割模式包含一集中控制模式(CM)及一分散控制模式(DM)；其中，該集中控制模式(CM)為：由該中央單元(12)分配對應該使用者設備(20)的一或多個分散單元(14)，以及由該中央單元(12)負責該使用者設備(20)的通訊排程安排(scheduling)，該分散控制模式為：由該使用者設備(20)目前對應的一分散單元(14)負責該使用者設備(20)的通訊排程安排；其中針對該控制模式選擇程序，該主處理器(16)更用於將該使用者設備(20)的一功率差比平均值(
    Figure 109135653-A0305-02-0024-59
    )與該使用者設備(20)目前對應的該分散單元(14)的一功率差比閥值(γ n,s )進行比較，且當該功率差比平均值(
    Figure 109135653-A0305-02-0024-60
    )小於或等於該功率差比閥值(γ n,s )時，該主處理器(16)執行該集中控制模式(CM)，反之則執行該分散控制模式(DM)，其中該功率差比閥值(γ n,s )是定義為該分散單元(14)在一特定通訊服務型態(uRLLC或eMBB)下必須符合的功率差比。
  2. 如請求項1所述的通訊系統，其中該主處理器(16)更用於根據每個分散單元(14)目前對應的使用者設備(20)的數量以及該等使用者設備(20)使用的該特定通訊服務型態的比例，計算出每個分散單元(14)的該功率差比閥值(γ n,s )。
  3. 如請求項2所述的通訊系統，其中該主處理器(16)更用於執行一可解區域縮減程序，進而找出該等分散單元(14)的該等功率差比閥值(γ n,s )所對應的一或多個服務分配控制比例(P n,CM,s)的一通用下限(P L,s)，其中該可解區域縮減程序包含步驟：藉由該主處理器(16)，透過一第一轉換機制(算式25)取得每個分散單元(14)在該特定通訊服務型態下的一最小功率差比閥值(γ L,s )，其中該第一轉換機制關聯於一使用者設備(20)在該特定通訊服務型態下須符合的一訊號雜訊比與一功率差比閥值(γ n,s )的轉換；藉由該主處理器(16)，透過一第二轉換機制(算式27)取得每個分散單元(14)的該最小功率差比閥值(γ L,s )所對應的一服務分配控制比例(P n,CM,s)，其中該第二轉換機制關聯於一服務分配控制比例(P n,CM,s)與一功率差比閥值(γ n,s )之間的轉換，且該服務分配控制比例(P n,CM,s)定義為在該特定通訊服務型態下，一分散單元(14)所對應的一或多個使用者設備(20)目前使用該集中控制模式(CM)的比例；以及藉由該主處理器(16)，找出該等分散單元(14)的該等服務分配控制比例(P n,CM,s)中的一最小值，並將該最小值設定為該通用下限(P L,s)。
  4. 如請求項3所述的通訊系統，其中該主處理器(16)更用於執行一全域最佳解搜尋程序，進而找出每個分散單元(14)的一最佳服務分配控制比例(P*)，其中該全域最佳解搜尋程序包含步驟：藉由該主處理器(16)，取得使用該特定通訊服務型態的所有使用者設備(20)的數量、該通用下限(P L,s)及每個分散單元(14)符合該通用下限(P L,s)的一或多個服務分配控制比例(P n,CM,s)； 藉由該主處理器(16)，持續隨機選取符合該通用下限(P L,s)的一服務分配控制比例(P n,CM,s)，並將每次隨機選取的該服務分配控制比例(P n,CM,s)搭配一收斂閥值帶入一第三轉換機制(算式19)，以計算出該特定通訊服務型態的一最小延遲中斷機率，其中該收斂閥值介於0.00005至0.0002之間；以及藉由該主處理器(16)，執行牛頓法，以找出每個分散單元(14)符合最小延遲中斷機率的一最佳服務分配控制比例(P*)，其中每個分散單元(14)的該最佳服務分配控制比例(P*)透過該第二轉換機制而轉換為每個分散單元(14)的該功率差比閥值(γ n,s )的最佳值。
  5. 一種通訊方法，用於一通訊系統(1)，其中該通訊系統(1)包含一基站(20)，該基站(20)支援複數種通訊服務型態，並包含複數個分散單元(14)、一中央單元(12)及一主處理器(16)，其中該等分散單元(14)用於與複數個使用者設備(20)產生連結，該中央單元(12)連接該等分散單元(14)，其中該通訊方法包含步驟：藉由該主處理器(16)執行一控制模式選擇程序，以根據一使用者設備(20)目前的通訊品質需求，選擇該使用者設備(20)所對應的一功能分割模式，其中該功能分割模式包含一集中控制模式(CM)及一分散控制模式(DM)；其中，該集中控制模式(CM)為：由該中央單元(12)分配對應該使用者設備(20)的一或多個分散單元(14)，以及由該中央單元(12)負責該使用者設備(20)的通訊排程安排，該分散控制模式為：由該使用者設備(20)目前對應的一分散單元(14)負責該使用者設備(20)的通訊排程安排；其中該控制模式選擇程序更包含步驟：藉由該主處理器(16)將該使用者設備(20)的一功率差比平均值(
    Figure 109135653-A0305-02-0026-61
    )與該使用者設備(20)目前對應的該分散 單元(14)的一功率差比閥值(γ n,s )進行比較，且當該功率差比平均值(
    Figure 109135653-A0305-02-0027-62
    )小於或等於該功率差比閥值(γ n,s )時，藉由該主處理器(16)執行該集中控制模式(CM)，反之則執行該分散控制模式(DM)，其中該功率差比閥值(γ n,s )是定義為該分散單元(14)在一特定通訊服務型態(uRLLC或eMBB)下必須符合的功率差比。
  6. 如請求項5所述的通訊方法，其中更包含步驟：藉由該主處理器(16)，根據每個分散單元(14)目前對應的使用者設備(20)的數量以及該等使用者設備(20)使用的該特定通訊服務型態的比例，計算出每個分散單元(14)的該功率差比閥值(γ n,s )。
  7. 如請求項6所述的通訊方法，其中該主處理器(16)更用於執行一可解區域縮減程序，進而找出該等分散單元(14)的該等功率差比閥值(γ n,s )所對應的一或多個服務分配控制比例(P n,CM,s)的一通用下限(P L,s)，其中該可解區域縮減程序包含步驟：藉由該主處理器(16)，透過一第一轉換機制(算式25)取得每個分散單元(14)在該特定通訊服務型態下的一最小功率差比閥值(γ L,s )，其中該第一轉換機制關聯於一使用者設備(20)在該特定通訊服務型態下須符合的一訊號雜訊比平均值與一功率差比閥值(γ n,s )的轉換；藉由該主處理器(16)，透過一第二轉換機制(算式27)取得每個分散單元(14)的該最小功率差比閥值(γ L,s )所對應的一或多個服務分配控制比例(P n,CM,s)，其中該第二轉換機制關聯於一服務分配控制比例(P n,CM,s)與一功率差比閥值(γ n,s )之間的轉換，且該服務分配控制比例(P n,CM,s)定義為在該特定 通訊服務型態下，一分散單元(14)所對應的一或多個使用者設備(20)目前使用該集中控制模式(CM)的比例；以及藉由該主處理器(16)，找出該等分散單元(14)的該等服務分配控制比例(P n,CM,s)中的一最小值，並將該最小值設定為該通用下限(P L,s)。
  8. 如請求項7所述的通訊方法，其中該主處理器(16)更用於執行一全域最佳解搜尋程序，進而找出每個分散單元(14)的一最佳服務分配控制比例(P*)，其中該全域最佳解搜尋程序包含步驟：藉由該主處理器(16)，取得使用該特定通訊服務型態的所有使用者設備(20)的數量、該通用下限(P L,s)及每個分散單元(14)符合該通用下限(P L,s)的一個服務分配控制比例(P n,CM,s)；藉由該主處理器(16)，持續隨機選取符合該通用下限(P L,s)的一服務分配控制比例(P n,CM,s)，並將每次隨機選取的該服務分配控制比例(P n,CM,s)搭配一收斂閥值帶入一第三轉換機制(算式19)，以計算出該特定通訊服務型態的一最小延遲中斷機率，其中該收斂閥值介於0.00005至0.0002之間；以及藉由該主處理器(16)，執行牛頓法，以找出每個分散單元(14)符合最小延遲中斷機率的一最佳服務分配控制比例(P*)，其中每個分散單元(14)的該最佳服務分配控制比例(P*)透過該第二轉換機制而轉換為每個分散單元(14)的該功率差比閥值(γ n,s )的最佳值。
  9. 一種電腦程式產品(18)，由一通訊系統(1)的一主處理器(16)執行，該通訊系統(1)包含一基站(10)，該基站(10)支援複數種通訊服務型態，且該基站(20)包含複數個分散單元(14)、一中央單元(12)及一主處理器(16)，其中該等 分散單元(14)用於與複數個使用者設備(20)產生連結，該中央單元(12)連接該等分散單元(14)，其中該電腦程式產品包含：一指令，使該主處理器(16)執行一控制模式選擇程序，以根據一使用者設備(20)目前的通訊品質需求，選擇該使用者設備(20)所對應的一功能分割模式，其中該功能分割模式包含一集中控制模式(CM)及一分散控制模式(DM)；其中，該集中控制模式(CM)為：由該中央單元(12)分配對應該使用者設備(20)的一或多個分散單元(14)，以及由該中央單元(12)負責該使用者設備(20)的通訊排程安排(scheduling)，該分散控制模式為：由該使用者設備(20)目前對應的一分散單元(14)負責該使用者設備(20)的通訊排程安排；其中針對該控制模式選擇程序，該主處理器(16)更用於將該使用者設備(20)的一功率差比平均值(
    Figure 109135653-A0305-02-0029-63
    )與該使用者設備(20)目前對應的該分散單元(14)的一功率差比閥值(γ n,s )進行比較，且當該功率差比平均值(
    Figure 109135653-A0305-02-0029-64
    )小於或等於該功率差比閥值(γ n,s )時，該主處理器(16)執行該集中控制模式(CM)，反之則執行該分散控制模式(DM)，其中該功率差比閥值(γ n,s )是定義為該分散單元(14)在一特定通訊服務型態(uRLLC或eMBB)下必須符合的功率差比。
TW109135653A 2020-10-15 2020-10-15 通訊系統、方法及其電腦程式產品 TWI755891B (zh)

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