新通訊 20087 月號 89
文.許志鵬
在眾家WiMAX廠商的積極參與下,IEEE 802.16j支援多重跳躍中繼站(Multihop Relay, MR)之標準規格與功能制訂已儼然成形。該標準旨在解決行動WiMAX基地台(Base Station, BS)布建彈性不足、骨幹網路營運成本昂貴等問題,延伸原有基地台之功能,並加入中繼站(Relay Station, RS),以達到擴展系統涵蓋範圍及提升系統傳輸能力等目的。
本文以系統角度,針對RS及支援中繼站的基地台(Multihop Relay Base Station, MR-BS)之媒體存取控制層(Media Access Control, MAC)層相關技術規範作介紹。然而,中繼站依其目的性及功能不同,還可再分為透明式(Transparent)及非透明式(Non-Transparent)兩種不同的中繼站類型,本期將先探討前者。  

IEEE 802.16j有助提升涵蓋範圍  

IEEE 802.16j是以固定式WiMAX(IEEE 802.16d-2004)及行動WiMAX(IEEE 802.16e)為基礎,在不更動其用戶端(Subscriber Station/Mobile Station, SS/MS)功能規格的前提下,加入中繼站並針對基地台(MR-BS)加入支援中繼站的相關功能。意即,用戶端不會因為中繼站的加入而有任何收送行為上的改變,對用戶端而言,不須知道也不會知道其存取點是基地台或中繼站。  

中繼站的主要功能顧名思義是作為基地台與用戶端之間的中繼點,負責轉送來自用戶端的上行(Uplink, UL)資料及來自基地台的下行(Downlink, DL)資料。單純的中繼站僅須支援資料的轉送,依照基地台的排程將資料在指定的區域作轉送的動作,這樣的中繼站稱為透明式中繼站。反之,非透明式中繼站所須提供的功能則較為複雜。從表1所列之特性可分別出兩種中繼站的差異。

表1 透明式中繼站與非透明式中繼站之特性
項目 \ 類型透明式中繼站非透明式中繼站
廣播訊息不會傳送前置訊號(Preamble)、FCH、DL/UL MAP等廣播訊息 會傳送前置訊號(Preamble)、FCH、DL/UL MAP等廣播訊息
資料排程由MR-BS負責(集中式排程)由MR-BS負責(集中式排程)或由RS自行排程(分散式排程)
技術優點提升傳輸能力提升傳輸能力及擴展涵蓋範圍
轉送能力可以僅支援上行(UL Only)或上行下行(UL/DL)皆支援上行下行(UL/DL)都必須支援
跳躍次數僅支援二次跳躍(2-hop Relay)支援兩次以上的多重跳躍

資料來源:IEEE C80216j-06/132
圖1 透明式中繼站
透明式中繼站單純的提供資料轉送,所以其本身並不會廣播前置訊號(Preamble)、FCH、DL/UL MAP等訊息。對用戶端而言,不會知道中繼站的存在,用戶端與中繼站依廣播訊號與基地台達成同步,並依照MAP訊息所述來傳送、接收及轉送資料,所以其資料排程必須由基地台統一控管,稱為集中式排程(Centralized Scheduling)。以圖1為例,基地台的涵蓋範圍包括了中繼站及用戶端,基地台會定期的不斷發出Preamble、FCH、DL/UL MAP等廣播訊息,當用戶端及中繼站分別收到來自基地台的廣播訊息,會依排程資訊所指定的時間區域收送資料,若中繼站須負責中繼轉送資料,則須至少提供上行資料的中繼轉送能力,而下行資料的中繼轉送能力則不一定要支援,因為下行資料是由基地台發送,其傳輸功率可確保涵蓋範圍內的用戶端都能接收到,故大部分的用戶端仍可直接接收到下行資料;而用戶端發送上行資料時,其傳輸功率遠低於基地台,發送的訊號到達基地台時可能非常微弱甚至無法解讀,藉由中繼站的轉傳,既可解決訊號可能中斷的問題又可提升訊號傳輸品質提高傳輸效率。因此,以實作面考量,透明式中繼站僅支援上行資料的中繼模式為較佳之選擇。  

 

資料排程與訊框架構剖析  

IEEE 802.16j網路採用樹狀拓撲,每一台中繼站與基地台之間的路徑皆只有一條。介於基地台與中繼站或中繼站與中繼站之間的連線定義為中繼連結(Relay Link),而存取連結(Access Link)則表示基地台與用戶端或中繼站與用戶端之間的連線(圖2)。由於透明式中繼站僅支援二次跳躍(2-hop Relay),所謂的二次跳躍,表示該中繼站的子節點必為用戶端,而其父節點可以是其他中繼站(必為非透明式)或是基地台。假設在最簡單的狀況下,資料的傳送路徑就包括一條介於基地台與中繼站之間的中繼連結以及一條介於中繼站與用戶端之間的存取連結。在該中繼站為透明式中繼站的前提下,這兩條連結路徑上的資料排程必須由基地台作集中式排程。

 

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資料來源:作者繪製
圖2 IEEE 802.16j之網路拓樸
 
 
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資料來源:IEEE P802.16j/D3
圖3 透明式中繼模式之訊框架構

 

而上行子訊框則可分為上行存取區(UL Access Zone)及上行中繼區(UL Relay Zone)。在上行存取區中,用戶端將資料往上傳送給中繼站或基地台,然後中繼站將來自用戶端的資料在上行中繼區中轉送給基地台。表2為基地台、中繼站及用戶端在上下行各區的行為。

表2 透明式中繼模式之各站台行為模式
 下行子訊框上行子訊框
下行存取區透明式中繼區上行存取區上行中繼區
基地台傳送傳送/靜止接收接收
中繼台接收傳送接收傳送
用戶端接收接收傳送靜止

網路進入運作為中繼系統核心  

當用戶端進入基地台的涵蓋範圍,因中繼站之加入,整體網路運作與三者間的互動行為息息相關,若用戶端欲存取網路服務,勢必透過中繼站的輔助方能進入該網路並取得基地台的控管,因此網路進入(Network Entry)為系統整體行為最重要的一環,以下將分別介紹中繼站如何進入網路,以及用戶端如何透過中繼站進入網路,還有在其過程中所需的頻寬要求(Bandwidth Request)行為。

中繼站的網路進入
 所謂的網路進入指的是用戶端或中繼站經過一連串與基地台之間的控制訊息交換,從偵測到基地台訊號開始,直到與基地台完成連線,並可透過基地台存取網路服務,所經歷的這一段過程。用戶端的網路進入方式在IEEE 802.16e中已定義,而中繼站的網路進入方式則與用戶端的網路進入方式相似,圖4為中繼站的網路進入程序。其步驟簡述如下:
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資料來源:IEEE P802.16j/D3
圖4 中繼站之網路進入程序

下行通道同步(DL Synchronization)
 搜尋前置訊號並利用其估算出訊框的單位時間,以達到與基地台之時間同步。

上行參數取得(UL Parameters Acquisition)
 同步後透過基地台的廣播訊息得到UCD、UL-MAP等上行通道相關資訊。

調整校正(Ranging)
 與基地台溝通並依基地台要求調整自身之訊號強度或功率大小。

基本能力協調(Basic Capabilities Negotiation)
 用戶端或中繼站自身基本能力之設定。

認證(Authorization)
 與基地台間的安全性認證。

註冊(Registration)
 用戶端或中繼站之身份註冊。

鄰近點測量報告(Neighbor Station Measure-ment Report)
 偵測鄰近節點(其他中繼站)訊號並回報給基地台。

存取點選擇(Access Station Selection)
 中繼站透過鄰近點測量報告之結果選擇其存取點(即網路拓撲中的父節點)。

操作參數配置(Operation Parameters Configuration)
 基地台為了讓中繼站成為可用的中繼站,對其所需的操作參數之配置。

前述六個步驟與用戶端的網路進入過程相同,而後三個步驟則是中繼站的網路進入才有的過程。其中存取點選擇又可分為兩階段,第一階段在步驟(一)與(二)之間執行,第二階段則在步驟(八)執行。

用戶端透過中繼站進入網路
 相對的,因為中繼站的加入,用戶端可能會透過中繼站執行網路進入的動作,其行為與沒有中繼站的情況下是一樣的,差別在於其與基地台之間的控制訊息交換都必須透過中繼站,因此在時間上會有所延遲。

頻寬要求動作不容忽視
 在控制訊息交換的過程中,用戶端可能先有頻寬要求的動作,才能將其資料上傳給基地台。因此,中繼站為了將該資料轉送給基地台,也必須有頻寬要求的能力,才能讓基地台配置上行頻寬給中繼站轉傳資料。中繼站在完成網路進入程序後,基地台會配置固定頻寬給予其傳送控制訊息之使用,除此之外,中繼站亦可透過其他方式向基地台要求頻寬。這些方式包括發送頻寬要求標頭(Bandwidth Request Header)、頻寬要求碼(Bandwidth Request CDMA Code)等(圖5)。
資料來源:IEEE P802.16j/D3
圖5 集中式排程下的頻寬要求與配置

802.16j標準備受矚目  

IEEE 802.16j是繼IEEE 802.16e後最受各國際大廠重視的新技術標準,此技術可提升WiMAX網路系統的營運效能並有效降低布建成本,因此可帶來龐大商機。該工作小組內各會員廠商無不積極參與其制訂,期望在未來市場中搶下先機。本文簡介了透明式中繼站及支援其中繼功能的基地台之MAC技術規範,以系統角度解釋整體網路的運作,包括透明式中繼站所需功能,以及基地台在加入中繼站後的行為模式之改變。下期專欄中將介紹非透明式中繼模式的中繼站及基地台相關技術規範。  

(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)

下行子訊框又可分為下行存取區(DL Access Zone)及可選擇性支援的透明式中繼區(Optional Transparent Zone),在下行存取區中,基地台將資料往下傳送給中繼站及用戶端,然後中繼站在透明式中繼區將資料往下轉送給用戶端。此外,為了頻寬配置更有效率,基地台亦可在透明式中繼區中配置頻寬傳送下行資料給那些不需中繼站的用戶端。  

為了達到擴展覆蓋範圍及增加傳輸能力的目標,IEEE 802.16j在實體層(Physical Layer)選用了正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)調變技術,圖3為IEEE 802.16j所定義的透明式中繼模式之訊框(Frame)架構,包括基地台與透明式中繼站的訊框架構。其訊框架構依資料傳輸的方向區分為下 行子訊框(DL Subframe)及上行子訊框(UL Subframe)。

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