訊號管理/中繼兩頭忙　802.16j PHY肩負重任

實體層子模組各司其職  

中繼站實體(PHY)層軟體模組是為了達成IEEE 802.16j中繼站標準中所定義的實體層功能，包括錯誤控制碼的編碼與解編碼、調變與解調變、傅立葉轉換與反傅立葉轉換，以及中繼訊框結構(Relay Frame Structure)的實現。中繼站之PHY層對外分別與媒體存取控制(MAC)模組以及射頻(RF)模組介接，來承接傳輸資料以及控制訊號，因此在設計上主要由PHY應用介面(Application Programming Interface, API)子模組、PHY訊號處理(Signal Processing, SP)子模組與PHY前端處理(Front-end, FE)三個子模組所構成，如圖2所示。

圖1　透明與非透明中繼站皆肩負同樣任務

圖2　802.16j中所定義的PHY軟體架構

整個執行概念根據中繼站模式的不同可分為兩種情況，分別為網路進入(Network Entry, NE)模式及中繼(Relay)模式。網路進入模式指的是中繼站與基地台之間以讓中繼站與基地台完成連線為主要目的，並確定中繼站可以透過基地台存取網路服務的控制訊息交換。隨著MAC層所傳送之管理訊息的不同，PHY層的行為也會隨之改變。  

在中繼站與基地台已確定完成連線後，中繼站的PHY層將進入中繼模式，並正式啟動中繼作用，用戶端將資料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間轉送給基地台。  

以功能來看，API子模組為PHY模組與MAC模組介接的第一個子模組，負責分析與產生訊息與MAC層溝通，接著根據中繼站模式的不同，因應MAC層的資訊對SP子模組與FE子模組做控制或資料傳輸。  

SP子模組介於API子模組與FE子模組，主要負責接收API子模組傳送的上行控制訊號與解譯下行之訊框控制標頭(Frame Control Header, FCH)與下行媒體存取協定(Downlink Media Access Protocol, DL-MAP)，接著因應SP各次模組與FE子模組的需求，將控制訊號轉換為適當之格式。模組中包含一個控制訊號次模組，主要負責管理API、FE子模組與SP各次模組之相關控制訊息，並依據各狀態對於收到的控制訊息內容加以處理，當該次模組收到各種訊息時，會依照收到的訊息種類以及所處之狀態，進而引發相對應的處理程序，改變SP模組的狀態以及相關參數。  

FE子模組位於中繼站系統的前端，包含傳送端部分從反向快速傅立葉轉換(IFFT)至數位類比/類比數位(AD/DA)轉換中間的區塊，接收端部分則包括AD/DA轉換至估測與補償(Estimation & Compensation)區塊。FE子模組主要功能在於快速傅立葉(FFT)訊號的處理、數位濾波、升降頻取樣、同步與通道的估測並補償，以便SP子模組能正確地還原訊號在傳送時所作的處理。  

實體層扮演雙重角色  

WiMAX中繼站的存在是為了能夠補償WiMAX上下行之R1介面因布建或是環境所造成的損失，所以在PHY的訊號處理與基地台或行動終端完全相同，差別只是在於能夠同時提供上下鏈路的接收與傳送。透明式中繼站系統必須在BS和MS的角色中切換，在面對MR-BS時要接收MR-BS的訊號，或是傳送資料給MR-BS，而面對MS端時則扮演BS的角色，接收MS傳送的訊號，或將資料傳送給MS，達到資料中繼的功能。因此RS在PHY的架構上就必須能夠執行BS及MS的上行下行的功能。  

在透明式中繼站系統中，一個訊框被切割為四個部分(圖3)，第一個部分是下行存取區塊(DL Access Zone)，中繼站以此區塊來接收MR-BS所傳送的訊號；第二個部分是傳輸區塊(Transparent Zone)，中繼站透過此區塊傳送資料給MS；第三個部分是上行存取區塊(UL Access Zone)，此區塊被中繼站用來接收MS要傳送給MR-BS的資料，然而有些MS並不透過RS中繼資料，因此保留部分空間讓MS直接上行資料給MR-BS；最後一個部分則是上行中繼區塊(UL Relay Zone)，中繼站透過此區塊傳送資料給MR-BS。

資料來源：IEEE P802.16j/D3 圖3　透明式中繼模式的訊框架構

由於上行和下行的子訊框使用不同的子載波排列結構，因此中繼站的PHY層必須支援兩種模式的傳送及接收：上行的部分是將子載波排列成為塊(Tile)的結構，並且經過子通道旋轉與子載波重新排列等程序，將邏輯訊框中的資料對應到正交分頻多工(OFDM)的訊號上；而下行的部分則是把子載波排列成為叢集(Cluster)的結構，然後將Cluster集合成為群組(Group)，最後將群組重新排列後，對應群組內的資料到OFDM的訊號上行送出去。圖4為一簡略的透明式中繼站PHY架構圖。

圖4　透明式中繼站實體層簡易架構圖

上述訊框中的四個區塊分別由上行、下行各兩條路徑來處理，UL-Tx處理UL Relay Zone，DL-Tx處理Transparent Zone，UL-Rx處理UL Access Zone，而DL-Rx則是處理DL Access Zone。然而不論是在DL或UL的子訊框，傳送或接收主要的差別只在於訊框排列架構的不同，因此除必須分開處理訊框的轉換，其他如解調變或解/編碼等程序，仍然可以不分上行或下行一起進行處理。  

資策會現階段僅針對透明式中繼站的上行資料中繼進行實作，其功能即接收MS於訊框中UL Access Zone區塊的資料，並在下一個訊框中的UL Relay Zone上行該資料給MR-BS，以完成資料中繼傳送。  

由於API子模組是MAC層與PHY層溝通的媒介，因此首先API子模組收到由MAC發送的各式管理訊息進行相對應的處理後，便會對下層子模組進行相關設定。待PHY完成啟動網路進入模式後，FE模組開始進行同步掃描，並將偵測到訊框的資訊回報給上層(SP子模組)，當SP子模組收到該資訊後會下達接收資料的管理訊息給FE子模組，而FE子模組一旦收到該訊息後則會將該訊框的資料逐一傳送到SP子模組進行相對應的訊號處理。  

SP子模組中向前錯誤控制編碼(Forward Error Coding)及調變區塊的功能和MS、BS中的功能一樣，因此不再贅述。以下僅針對RS和MS、BS不一樣的架構作詳細說明。圖5為UL Relay Zone的實作架構圖，子通道旋轉(Sub-channel Rotation)和Tile架構排列(TileArrange)這二個方塊分別執行子通道旋轉以及Tile架構排列的功能，並計算出邏輯資料對應在OFDM子載波的位置，將資料以OFDM的子載波的順序寫入暫存器中，並依照控制訊號的要求填入測距碼(Ranging Code)及快速反饋碼(Fast Feedback Code)，將暫存器填滿後，依序讀出資料即可完成轉換的程序，此步驟主要的目的在於將邏輯意義的資料轉換為物理意義的資料，並加入導引(Pilot)訊號。

圖5　UL Relay Zone實作架構圖

UL Access Zone在接收資料程序架構上與傳送時一樣，差別在於將OFDM子載波上的資料排列到對應的邏輯訊框位置上，而由於資料會不停的從FE端傳送進來，因此必須先暫存在一個緩衝器(Buffer)中，等待其他區塊計算出邏輯訊框的位址後，從緩衝器中讀出資料，以邏輯訊框資料的順序寫入到同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)中，然後讀出控制訊號指定要讀出的叢發(Burst)資料，並分離出測距碼傳送到指定模組處理，即完成接收端轉換的程序。  

在FE子模組中，傳送端部分主要負責處理頻域與時域訊號的轉換、調整能量、加入循環前置(Cyclic Prefix, CP)以預防傳輸訊號產生符元間干擾(Inter-symbol Interference, ISI)、調整訊號傳送時間、控制傳送前時間同步以及增加取樣速率並配置傳送訊號格式，其中由於時域與頻域的同步處理，模組與模組之間的處理結果有很大的相關性，故將這部分一同分配至FE子模組中協同設計與實作；接收端則有處理接收訊號格式、降低取樣速率、處理接收訊號同步與估測補償通道等模組。此外因為RS接收端必須同時負責下行與上行的訊號接收，因此包含相關的訊號同步與通道估測也必須做一整合，目前先以下行訊號的參考時序為基準，來針對接收之上行訊號估測其頻率或時間偏差，再由RNG-RSP的MAC訊號通知其他MS做調整，以提升接收品質。  

802.16j技術廣受各方矚目  

IEEE 802.16j多重躍進中繼技術是繼IEEE 802.16e之後最受各國際大廠重視的新技術標準，其技術可提升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。在上期已將中繼站技術MAC層實作進行討論，而本期針對透明式中繼站及支援其中繼功能的基地台之PHY層進行技術規範以及實際上的運作進行詳盡的介紹。雖然IEEE 802.16j目前尚未頒布為IEEE正式標準，但其發展上的優勢及技術上的重要性依然不容小覷。  

(本文作者任職於資策會網多所WiMAX技術中心)