提升WiMAX效益　802.16j MR標準脫穎而出

WiMAX是一種在微波和毫米波頻段的無線都會型網路技術，因利用高效率無線訊號傳輸與處理技術，而具備傳輸距離最遠可達50公里長，傳輸速率最高可達70Mbit/s，能快速布建及低成本等特性，適合中距離的無線傳輸服務，可作為無線高速接取網路的媒介。由於WiMAX是開發中國家快速布建接取網路的最佳選擇，也可作為WiFi 802.11標準的無線接取熱點(Hot Spot)連接到網路媒介或企業與住家等環境，實現最後一哩(Last Mile)的方案；目前全球主要電信與設備業者，無不積極投入WiMAX網路系統布建，因此在2007年WiMAX呈現積極成長態勢。  

現行WiMAX網路系統面臨的問題，包含電信業者獲得的頻譜有限、建築物屏障限制形成覆蓋缺陷、資料流量不均、新興地區有線網路架構不足等因素，因此電信業者須找出強化資料傳輸率及網路覆蓋範圍的解決辦法。目前電信業者主要採用置放功率中繼站(Repeater)或增加基地台(Base Station, BS)數量改善問題。表1為使用功率放大器、增加基地台個數及使用中繼站(Relay Station)等WiMAX網路系統解決辦法的優缺點比較。

表1　現行WiMAX網路系統布建方案之比較
	優點	缺點
功率放大器	設備價格最便宜 布建快速	干擾訊號一併放大 布建範圍不完整
基地台	功能完備 布建範圍完整	設備價格貴
中繼站	設備價格較便宜 布建快速 布建範圍完整 Auto Configuration	系統複雜度增加

資料來源：IEEE

然而增加功率放大器將出現干擾訊號一併放大的副作用，反觀若增加基地台布放密度，則面臨昂貴的備援(Redundant)設備、備用電源(Backup Power)設備及高價的骨幹網路維運成本等問題。從另一個角度來說，透過增加基地台個數，能使每個基地台的有效覆蓋半徑降低，資料密度提高，不過在布建上將面臨基地台架設限制及新興地區有線寬頻網路基礎建設不佳等環境限制。  

802.16j MR標準協助WiMAX網路布建  

有鑑於上述問題，多重躍進中繼台概念於2005年在IEEE大會中被提出討論，希望制訂802.16j MR標準規格與功能。由於802.16j MR網路系統不用骨幹網路，因此營運開支(Opex)不會因系統容量需求，線性增加有線骨幹網路成本；且中繼站的體積較小、天線結構較便宜，使中繼站無論在設備價格、鋪設速度以及基地台收購的成本都較低。此外，在中繼站的協助下，系統可提供用戶較高傳輸速率，相對也可以提供更多應用服務，服務業者可藉此獲得更高的平均每戶貢獻度(Average Revenue Per User, ARPU)，提高投資報酬率(Return On Investment, ROI)。圖1為使用802.16j MR與傳統WiMAX網路系統布建的成本比較。

資料來源：IEEE 圖1　802.16j MR與現存WiMAX網路系統布建成本分析

MR在2005年5月的首次Ad-hoc會議中被提出，IEEE於2005年7月通過成立多重躍進中繼台研究小組(Study Group, SG)，並陸續召開SG工作會議研擬方案授權要求(Project Authorization Request, PAR)。  

多重躍進中繼台的PAR於2006年3月通過後，由IEEE定名為802.16j；802.16j Relay任務小組(Task Group)經過緊鑼密鼓的協商，於2006年7月的第四十四次會議中，開始進行802.16j使用模式(Usage Models)與技術要求(Technical Require-ments)擬定。並於2006年11月的第四十六次會議中，開始進行技術提案(Technical Propose)提案，於第四十四次會議至第五十次會議之間由各家公司所提出802.16j技術提案，如表2所示。目前最新的技術提案，已於2007年7月的第五十次會議中，由各公司具備投票資格的會員投票同意產生草案規格(Draft Specification)，預計將會在第五十一次會議前發表第一分802.16j草案規格。

表2　第44～50次會議各公司提案統計表
公司	修正案	新提案	總案數
北電	33	101	134
富士	20	80	100
資策會	30	68	98
諾基亞	14	47	61
三星	4	46	50
ETRT	15	29	44
摩托羅拉	12	22	34
工研院	3	26	29
三菱	3	24	27
阿爾卡特-朗訊	4	19	23
其他業者	22	157	179
總數	160	619	779

資料來源：資策會

802.16j MR網路系統針對協助WiMAX網路布建的角度出發，可將中繼站布放在系統涵蓋邊緣，可改善訊號品質，增加資料傳輸率；抑或可將中繼站布放在涵蓋範圍外，多個相鄰中繼站間將訊號多層次(Multihop)轉傳到更遠的地點，使原本無法被服務的使用者與基地台連結，降低基地台的營運成本。  

802.16j使用模式分析  

因此，中繼站可分為三種型態，透過這三種型態的互相配搭，可提高WiMAX網路布建彈性。

‧	固接式中繼站(Fixed Relay Station, FRS)，指長期置放在固定地點的中繼站。
‧	可移動式中繼站(Nomadic Relay Station, NRS)，是相對於行動式設備，在固定地點停留較長一段期間的中繼站。
‧	行動式中繼站(Mobile Relay Station, MRS)，亦指在行動期間也可以運作的中繼站。

固接式使用情境  

圖2為在802.16j MR系統固接式中繼站可能的使用情境，在這個情境下使用固接式中繼站能提高多重躍進中繼台網路系統邊緣涵蓋率，給室內環境使用更好的連線品質，使原本802.16d/e網路系統中，因地形或建築物屏障限制導致無法接收無線訊號，或是接收無線訊號品質不佳的使用者，可接收到多重躍進中繼台網路系統無線訊號，也可使原本不在基地台所服務範圍的使用者，經由固接式中繼站多重躍進中繼之後，能進入多重躍進中繼台網路系統中。

資料來源：IEEE 圖2　802.16j MR FRS使用情境

建築物內使用情境  

由於無線訊號在進入建築物內部時，訊號功率將大幅下降使得使用者接收訊號的品質變差，為克服此項問題，可以在建築物內部使用可移動式中繼站，一邊接收室外基地台或其他中繼站訊號，另一邊發送經由可移動式中繼站處理並放大訊號給使用者或其他放置於室內的中繼站，這將可大幅增加無線訊號的強度，加強使用者接收訊號的品質。圖3為在建築物內部使用中繼站的使用情境。

資料來源：IEEE 圖3　802.16j MR NRS使用情境

行動載具使用情境  

在行動載具如公車、火車上使用行動式中繼站接收基地台或其他中繼站的無線訊號，服務將是處於行動載具內的使用者。經由行動式中繼站同時統一服務行動載具內的使用者，可減少各別使用者因不同基地台之間換手所可能發生服務中斷情形，也可降低基地台同時要協助多個使用者換手到另一個基地台的機會發生。圖4為在行動載具上使用中繼站的使用情境。

資料來源：IEEE 圖4　802.16j MR MRS使用情境

系統覆蓋廣 服務品質升級  

802.16j MR網路系統主要目的，是為了達成使原WiMAX網路的系統涵蓋邊緣更佳，且提升系統傳輸能力，所以在實體層(PHY Layer)的技術上，選用正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)調變技術，並針對媒介存取控制層(MAC Layer)進行改進。為了支援中繼站之間將訊號多層次轉送的能力，也須要針對中繼站與基地台進行一定程度的改變，但不能改變原來行動用戶端的行為，並且因使用中繼站所產生的資料封包延遲，必須要能被使用者接受。  

使用802.16j MR網路系統將會有多重躍進中繼的好處，雖然目前802.16j MR標準制定還是以兩次中繼(Two-hop)環境為主要對象，但將來不排除有多重躍進中繼(Hop>2)的可能，所以802.16j在標準規格制定時，將會針對Two-hop為主要技術，而中繼站間將訊號多層次轉送為次要技術。表3為IEEE 802.16j MR網路所需要之重要技術列表。

表3　IEEE 802.16j MR網路系統重要技術列表
技術名稱	縮寫	描述
Configuration and Management	CM	Requirements related to MMR network configuration, topology, multi-hop relay path, and how QoS is handled
Network Entry	NE	Requirements related to network entry including ranging, registration, authorization, etc.
Bandwidth Request and Allocation	BW	Requirements related to how an RS requests bandwidth for its transmission and how the bandwidth allocation is made
Scheduling	SCH	Requirements related to 802.16j MAC scheduling service
Subscriber Mode Management	SMM	Requirements related to subscriber mode management(such as sleep mode, idle mode, and active mode) for MSs in 802.16j
Data Delivery	DATA	Requirements related to data message forwarding and delivery
Mobility Management	MM	Requirements related to MS and MRS handovers
Security	SEC	Requirements related to MMR network security
OFDMA PHY	PHY	Requirements related to OFDMA PHY such as resource allocation, frame structure, duplexing, multiple antenna support, channel quality measurement, interference, synchronization, etc.

資料來源：IEEE

為有效降低WiMAX網路布建成本及提升營運的效能，IEEE 802.16j MR支援行動之多重躍進中繼台技術，將成為WiMAX網路系統中一項重要新興技術，現在IEEE 802.16j MR標準制訂，正在如火如荼進行，WiMAX技術領先廠商皆參與標準制訂，著眼於中繼台所可能帶來的龐大市場與商機，希望加速標準成形。而台灣除法人單位如資策會、工研院外，還未見有任何廠商參與標準制訂會議，雖然台灣廠商向來以代工見長，但一些新興國家已經有後來居上之趨勢，若不把握此參與IEEE 802.16j MR標準制訂的機會，力圖產業轉型與研發技術升級，將來在無線通訊市場所面臨的考驗將愈來愈嚴峻。  

(本文作者任職於資策會網多所)