降低WiMAX布建成本　多重躍進技術抬頭

隨著全球市場對於寬頻無線通訊需求的增加，基於IEEE 802.16國際標準的全球微波存取互通介面(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)技術應用正於全球各地蓬勃發展，目前WiMAX已於2007年被納入IMT-2000，正式成為第三代(3G)行動通訊的標準之一。  

簡單來說，WiMAX是在微波和毫米波頻段的無線都會型網路技術，可用於將802.11a無線接入熱點(Hot Spot)連接到網際網路(Internet)；或連結公司與家庭等環境到有線骨幹線路，實現最後一哩(Last Mile)的無線寬頻接入，因此被視為有線電纜(Cable)和數位用戶線路(DSL)的無線擴展技術。  

WiMAX可能的應用領域包括偏遠地區寬頻上網、住宅區或小型辦公室(Small Office/Home Office, SOHO)網路、T1級小型企業網路、T1+級企業網路、熱點後置網路(Backhaul)等等。此外，一般民眾可透過WiMAX進行行動上網、網路語音通訊協定(VoIP)、IP多媒體等應用。目前由英特爾(Intel)、Proxim、Airspan、富士通(Fujitsu)及正交分頻多工論壇(OFDM Forum)等共同成立的非營利組織--WiMAX論壇(WiMAX Forum)，正為802.16設備生產廠商提供相容性測試及互通性實驗，並為成功通過測試的廠商產品加上WiMAX認證標籤。  

在台灣政府大力推動WiMAX產業在地生根的政策下，從2005年開始便輔導國內業者及法人機構共同開發WiMAX晶片組、客戶終端產品及基地台設備等，同時搭配IEEE 802.16及WiMAX Forum的活動，支持法人機構帶頭進行WiMAX相關技術標準提案，期許促成台灣在全球WiMAX產業占有重要的研發及製造地位。經過兩年多的努力，已在台灣營造出適合WiMAX研發及先期試驗的環境。  

中繼站解決訊號覆蓋問題  

WiMAX無線網路架構主要由多個基地台(Base Station, BS)與多個用戶端(Subscriber Station, SS)所組成。一般來說，運營商藉由網路的規畫可將WiMAX基地台布放於適當的地點，以確保在最少的基站數及有限發射功率下，使訊號完整覆蓋特定區域。然而，現行WiMAX網路系統面臨的問題包含電信業者獲得頻譜有限、建築物屏障限制造成的覆蓋缺陷、資料流量不均勻、新興地區有線網路架構不充足，使WiMAX業者必須找出強化資料傳輸率以及網路覆蓋範圍的解決辦法。  

傳統的解決方法為縮小基地台的覆蓋範圍或布建類比式功率放大器(Analog Repeater)。然而，透過縮小基地台有效覆蓋範圍或增加小基地站的設立等作法，都將提高設備成本及日後的營運維護成本，同時在布建上將會面臨基站架站限制以及新興地區有線寬頻網路基礎建設不佳等環境限制；而類比式功率放大器則由於會將所有收到的訊號無差別地放大，因此輸入訊號需要有較高的訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)，以避免增加接收端解調變的錯誤率，同時在布建上須要小心處理類比式中繼站因放大訊號所造成的干擾問題。此外，由於中繼站設計上會有兩組天線同時一收一發，因此在射頻隔離(RF Isolation)的要求上也相當嚴苛。  

有鑑於上述問題，多重躍進中繼技術(Multihop Relay)於2005年在IEEE 802.16大會中被提出討論，希望藉由相關標準規格IEEE 802.16j的制訂，徹底解決上述問題，進而有效增強WiMAX系統效能。  

簡單來說，IEEE 802.16j的目標就是在不改變現有使用者終端(Mobile Station, MS)設計的前提下，擴展16e移動式WiMAX基地台的覆蓋範圍(Coverage Extension)及提升系統容量(Capacity Enhancement)。圖1～3分別說明IEEE 802.16j中繼站的使用情境。

資料來源：WiMAX Forum 圖1　IEEE 802.16j中繼站使用情境一

資料來源：WiMAX Forum 圖2　IEEE 802.16j中繼站使用情境二

資料來源：WiMAX Forum 圖3　IEEE 802.16j中繼站使用情境三

由於IEEE 802.16j中繼站(Relay Station, RS)不用有線後置網路，加上布建時毋需高塔，因此可有效降低營運成本。此外，IEEE 802.16j中繼站一開始就考慮干擾管理問題，並避免在兩個無線介面，即基地台到中繼站與中繼站到使用者終端上同時一收一發，因此IEEE 802.16j中繼站無論在設備價格、鋪設速度上都較小型基站及類比式功率放大器更具優勢。  

嚴格來說，中繼站的概念並非WiMAX所發明，前述的類比式功率放大器也可說是中繼站的一種型態。而另外一種中繼站型態則為數位式功率放大器(Digital Repeater)，其工作原理是將所接收的類比訊號轉換成數位訊號，藉由數位化的過程除去干擾訊號及雜訊，再轉回類比訊號送出。不過，無論是類比式或數位式功率放大器均仍屬於實體(PHY)層的訊號處理技術。而IEEE 802.16j中繼站則是進一步納入媒體存取控制(MAC)層的技術來達到以下的好處。  

首先，可易於監控、管理IEEE 802.16j中繼站運作狀態及組態相關運作參數，使之可依所處環境的不同，進行最佳化的設定，進一步讓IEEE 802.16j中繼站的布建變得較容易。舉例來說，IEEE 802.16j中繼站在進入WiMAX網路時，可透過MAC層的控制訊息來回報鄰近干擾的量測結果，爾後基地台便據此回報來決定該IEEE 802.16j中繼站的發射功率、是否發射同步訊號及廣播控制訊號等運作參數；以及決定整個網路的拓撲(Topology)。甚至基地台可通知該IEEE 802.16j中繼站去加入其他鄰近的基地台。  

另一方面，透過MAC層的控制訊息交換，基地台可以控制IEEE 802.16j中繼站的收送時間及相關的調變編碼，進一步做到非對稱式的訊號轉送。例如IEEE 802.16j中繼站，僅針對使用者上傳到基地台的訊號進行轉送。  

其次是基地台可依據某些使用者終端所處環境及傳輸需求，透過MAC層的控制訊息交換去動態群組一個以上的IEEE 802.16j中繼站，形成一個宏分集(Macro-diversity Set)，來增加對該使用者的無線傳輸訊號穩定性或提高資料傳輸量。  

最後，納入MAC技術的中繼站還可具有多樣化的IEEE 802.16j中繼站產品型態，如圖4所示，大致可區分為通透式(Transparent)及非通透式(Non-transparent)兩類，換言之，IEEE 802.16j中繼站可從完全由基地台集中式控制(Centralized Control/Scheduling/Security)到在基地台協調下的分散式控制(Distributed Control/Scheduling /Security)。

圖4　IEEE 802.16j中繼站產品類別

16j中繼台具備自動無線連接功能  

IEEE 802.16j中繼站基本設計是將一台16j用戶端設備及一台16j基地台巧妙結合成一體。16j基地台這一端對下游16e用戶端設備提供傳統WiMAX服務，而16j用戶端設備這一端則對16j基地台提供對上游基地台的無線連接服務(Wireless Backhaul Connection)。因此IEEE 802.16j中繼站可看成是具有自動無線連接服務的WiMAX基地台。在此設計概念下，原有用戶端設備便不須要作任何修改即可在802.16j中繼站下運作，並解決基站架站限制、後置網路營運成本昂貴及新興地區有線寬頻網路不佳等環境限制問題。  

圖5說明IEEE 802.16j從使用者終端到基地台系統的協定架構，圖6則比較IEEE 802.16j中繼站與16j基地台的協定模組。從中可以看出依據中繼站產品的複雜度，所需的協定模組將有大幅地變化。

資料來源：IEEE 802.16j 圖5　IEEE 802.16j從使用者終端到基地台系統的協定架構

圖6　IEEE 802.16j中繼站與16j基地台的協定比較

以下簡要說明目前在IEEE 802.16j標準中，備受關注的技術重點。首先，在16j實體層部分，主要有多重躍進幀結構(Multihop Relay Frame Structure)、量測及控制機制(Measurement & Control Mechanism)與混合自動重送機制(Hybrid Automatic Retransmission Request, HARQ)等三項技術備受討論。

．	多重躍進幀結構
	此技術依照分時多工(Time Division Multiplexing, TDM)的精神，來設計基地台到中繼站以及中繼站到使用者兩個無線介面，並依照Transparent或Non-transparent的特性分別設計相關的多重躍進幀結構。同時進行原本16e廣播控制訊號的修正以及16j特有的同步及廣播控制訊號的設計。

．	量測及控制機制
	此部分係針對基地台到中繼站之間無線介面的通道品質量測及干擾量測進行規範。在控制機制部分則主要針對干擾管理及功率控制兩方面來進行。

．	混合自動重送機制
	此機制主要針對在16j系統下如何完成基地台到使用者間端至端(End-to-end)，和基地台到中繼站，以及中繼站到使用者間Hop-by-hop的混合自動重送機制及相關通報(Acknowledgement)機制進行研究及相關協定設計。 在16j媒體接取層部分，則有入網及測距(Network Entry & Ranging)、服務品質(Quality of Sevice, QoS)及頻寬配置機制、多重躍進路徑管理及路由(Relay Path Management & Routing)、中繼站群組(RS Group)、安全機制(Security Mechanism)、切換及換手機制(Switch & Handover Mechanism)為主要研究重點。

．	入網及測距
	主要針對IEEE 802.16j中繼站本身如何入網及測距、以及16e使用者終端如何透過IEEE 802.16j中繼站完成入網及測距兩方面進行設計。基本而言，IEEE 802.16j中繼站本身在入網的行為與傳統16e使用者終端相當雷同，主要差異在對周邊干擾的量測回報，多重躍進網路拓撲決定及中繼站運作參數組態設定等。而在協助16e使用者終端入網的重點大都擺在如何完成16e使用者終端的初始測距(Initial Ranging)及決定其應該依附(Attach)在哪一個IEEE 802.16j中繼站的部分。

．	服務品質及頻寬配置機制
	此機制沿襲16e系統對服務品質的定義，針對在集中式及分散式的排程上，研究在16j系統中如何滿足同樣的服務品質要求。同時針對基地台到中繼站以及中繼站到使用者兩個無線介面的頻寬配置進行研究，基本上分為IEEE 802.16j中繼站本身的頻寬配置，以及16e使用者終端如何透過IEEE 802.16j中繼站完成頻寬配置兩方面。與IEEE 802.16e WiMAX系統最大的差別在於基地台到中繼站的無線頻寬上設計了專屬的配置機制(Dedicated Allocation Scheme)，以降低原本16e WiMAX系統在頻寬配置上的負擔。

．	多重躍進路徑管理及路由
	針對如何在建立服務流(Service Flow)的同時，建立及管理多重躍進路徑。另外在路由方面則針對以單一連線或建立Tunnel的方式進行資料轉送；而轉送資料的單位則有MAC協定資料單元(Protocol Data Unit, PDU)或叢集(Burst)兩種。另外針對在集中式控制及排程下的Non-transparent中繼站，其所須要廣播的控制訊息如何從基地台傳送到該中繼站的部分也有相當程度的著墨。

．	中繼站群組
	主要是針對中繼站群組的型別、如何組成中繼站群組以及群組內資料的轉送等技術進行研究及相關協定設計。

．	安全機制
	沿襲16e系統中安全的架構，針對在集中式及分散式的安全機制上，研究在16j的系統中如何滿足同樣安全級別的要求。

．	切換及換手機制
	研究基地台與IEEE 802.16j中繼站如何合作，讓使用者終端可以在存在Transparent中繼站以及Non-transparent中繼站的網路環境下，進行切換及換手的行為。

另外，根據目前IEEE 802.16j的規格草案，可預見IEEE 802.16j中繼站的架構將如圖7所示，其中主要由以下三個子系統所組成：

．	射頻及天線子系統(RF & Antenna Subsystem)
	主要做為WiMAX射頻訊號與WiMAX PHY類比基頻訊號的轉換。

．	基頻子系統(Baseband Subsystem)
	主要做為WiMAX PHY類比基頻訊號與WiMAX MAC數位資料的轉換。

．	處理器子系統(Processor Subsystem)
	主要做為WiMAX MAC控制及管理訊號的處理以及資料的轉送。

圖7　IEEE 802.16j RS架構

為有效降低WiMAX網路布建成本及提升營運的效能，IEEE 802.16j多重躍進中繼技術預期將成為WiMAX網路系統中一項重要新興技術。現在IEEE 802.16j標準制訂已進行到收尾的動作，預估會在2009年第一季獲得IEEE認可，頒布成為正式的標準。隨之而來的戰場將慢慢轉移到WiMAX Forum上，畢竟能獲得WiMAX Forum的支持才是IEEE 802.16j中繼站商品化的重要關鍵。  

目前IEEE 802.16j已經獲得WiMAX Forum服務供應商工作小組(Service Provider Working Group, SPWG)的支持，預計在2008下半年將近入技術工作小組(Technical Working Group, TWG)來訂定相關技術規格(Technical Profile)及測試規範，並預計在2010年初將有WiMAX Forum標章的IEEE 802.16j中繼站商品問世。以目前IEEE 802.16j中繼站的產品特性及發展態勢來看，不啻為台灣廠商進入無線基礎建設(Infrastructure)原始設計製造商(ODM)市場的重要跳板。  

(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)