IEEE 802.16j技術是基於IEEE 802.16e標準所延伸而來，以提升系統訊號覆蓋率與傳輸效能，目標是在不更動現有IEEE 802.16e用戶端設備規格的前提下，透過更新基地台支援中繼站即可快速進行布建，解決基地台架站限制、骨幹網路(Backhaul)營運成本昂貴及新興地區網路布建不足等問題。隨著IEEE 802.16j規格制定逐步成熟，電信業者推動微波存取全球互通(WiMAX)服務所面臨的諸多布建考量與挑戰都可望隨之迎刃而解，也為WiMAX帶來龐大的商機。因此，IEEE 802.16j實為WiMAX技術是否興起的主要關鍵之一。
根據目前的IEEE 802.16j規範草案，中繼站之類型可分為兩種，分別為透明式(Transparent)中繼站與非透明式(Non-Transparent)中繼站，傳輸與運作方式如圖1所示。
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資料來源：IEEE C802.16j-06/132
圖1 IEEE 802.16j中繼站產品類別圖 |
802.16j協定層概觀
根據802.16j的規範，中繼站的架構可以粗分為通用子層(Common Part Sublayer)、安全子層(Security Sublayer)、與實體層(Physical Layer, PHY)三層。
其中通用子層為媒體存取控制(Media Access Control, MAC)層的核心子層，控制整個通訊協定的行為及管理訊息的處理(MAC Management Message Process)。系統初始化時須先控制進入網路流程(Network Entry Procedure)，然後在運作模式(Operational)底下則須持續進行週期性測距(Periodical Ranging)以及負責用戶端與基地台間的資料轉送(Relay)。而在資料傳送與接收方面則須負責頻寬請求(Bandwidth Request)、資料排程(Scheduling)、封包切割(Fragment)與組裝(Packing)等。
中繼站之PHY層功能的設計則包括錯誤控制碼的編解碼、調變與解調變、傅立葉轉換與反傅立葉轉換，以及中繼訊框架構的實現。值得一提的是，802.16j PHY層定義中還包含與MAC層以及RF模組介接功能，以承接PHY層之傳輸資料及控制訊號。
最後則是安全子層。該子層沿襲802.16e WiMAX系統中安全子層的架構，可實現集中式及分散式的安全機制，本文暫不針對該層做探討分析。
中繼站系統架構解析
中繼站之MAC層與PHY層各區塊之模組設計與功能如圖2所示。其中於MAC層的部分主要分為控制功能模組(Control Plane)、資料傳送與接收功能模組(Data Plane)兩個子模組。
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| 圖2 中繼站系統架構圖 |
控制功能模組為MAC層的系統控制模組，主要負責系統內的資訊管理及流程控制等。例如與基地台之間的訊息交換、入網的程序控制、與基地台同步的維護、中繼下游用戶端資料至基地台的行為管理等；資料傳送與接收功能模組則負責封包的處理與排程等。
中繼站之實體層主要由應用程式介面 (Application Programming Interface, API)子模組、訊號處理(Signal Processing, SP)子模組與前端(Front-end, FE)三個子模組所構成。其中API子模組為負責PHY層與MAC層介接的子模組，負責分析與產生L2-L1的訊息與MAC層溝通，接著因應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(Uplink)控制訊號與解譯下行(Downlink)之訊框控制標頭(Frame Control Header, FCH)、下行媒體控制協定(Downlink Media Access Protocal, DL-MAP)。
最後，FE子模組的作用有二，在傳送端，其責任在於將通訊系統的訊號打散、編碼、調整與配置後，通過FE模組作進入天線前的準備，主要的作用在於訊號傳送前的處理、傳送端的訊號同步與格式的產生；而在接收端，則是處理接收的同步與頻道的估測並補償，以便接下來接收端能對訊號作傳送端的對應處理。
MAC通用子層實作架構
在初始化狀態時，中繼站須先與基地台取得收送的同步以進入該基地台之網路。MAC層先將欲搜尋頻道之參數，如頻率、FFT Size、CP Size、頻寬等設定至PHY層。如果PHY層無法接收到基地台的訊號，便須要改變參數搜尋不同頻道；直至中繼站接收到基地台的前置訊號、FCH、DL-MAP、下行頻道描述(Downlink Channel Descriptor, DCD)。此時便完成與該基地台下行頻道(Downlink Channel)之同步。
當中繼站能辨別基地台的訊號後，緊接著便要擷取上行頻道(Uplink Channel)參數。此動作透過接收基地台廣播之UL-MAP與上行頻道描述(Uplink Channel Descriptor, UCD)來完成。
於完成下行訊號同步流程之後，則是中繼站須嘗試發送訊號與基地台進行測距(Ranging)的流程，目的用以校正上行參數，如功率、時序偏移、頻率偏移等，以達到上行訊號同步。此部分為透過CDMA碼的傳送、RNG-REQ和RNG-RSP訊息的交換來完成。接著經過一連串的訊息交換，陸續完成協調設備的傳輸能力(SBC-REQ/SBC-RSP)、加解密的溝通(PKM-REQ/PKM-RSP，此階段暫不實作)、用戶端的註冊(REG-REQ/REG-RSP)、中繼站參數組態設定(RS_Config-CMD/ MR_Generic-ACK)等工作。全部完成後結束初始程序，並在接收到基地台發出之RCD(Relay Channel Descriptor, RCD)後進入運作模式，開始幫下級用戶端轉送資料之功能。
為了確保每個程序能按照順序進行，可以透過設計狀態機(State Machine)的方式來實作，如圖3所示。
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| 圖3 中繼站MAC層之狀態機圖 |
透明式中繼站任務相對單純
在透明式中繼站網路系統中，所有的資料傳輸排程都是由基地台決定，且用戶端能在下行頻道直接接收到基地台廣播的管理訊息(DL-MAP、UL-MAP、DCD、UCD)。
由於資策會目前以開發透明式中繼站為主要目標，並特別專注在實作上行方向資料中繼(Relay)功能，因此中繼站在這階段的工作為按照基地台的指示接收用戶端傳輸的資料並中繼給基地台，以及接收用戶端發出的CDMA碼，並根據接收的參數轉換成碼回報(MR_Code-Report)訊息回報給基地台，讓基地台根據此訊息調整用戶端的參數以維護用戶端與中繼站之間的同步。
在下行子訊框(DL Subframe)中，中繼站必須將PHY層設定為接收(Rx)的組態，此階段會接收到來自基地台的管理訊息。
上行子訊框(UL Subframe)切割成兩部分，前半段為存取區域(Access Zone)，即一般用戶端能傳送的區域；後半段為中繼區域(Relay Zone)，即中繼站能傳送的區域。在存取區域中，中繼站必須將PHY層設定為接收的組態以接收用戶端之資料，其中競爭區間(Contention Region)中會接收到用戶端發出的CDMA碼，其他部分的資料接收則須根據UL-MAP中的描述來控制。而在中繼區域中，中繼站則將PHY層設定為傳送(Tx)的組態，用以傳送本身的管理訊息以及中繼從用戶端接收到的資料給基地台。
值得注意的是，在透明式中繼站網路系統中，中繼站不必維護其所負責中繼之用戶端資訊。中繼站僅須回報所有收到的CDMA碼資訊，如果基地台決定將該用戶端透過中繼站轉送，便會在廣播的訊息(透過RNG-RSP)中調整該用戶端之傳送參數，以利該中繼站接收。然後於配置頻寬給該用戶端的同時，也會通知中繼站去接收該資料。
資料傳送接收架構各司其職
Tx要負責把控制模組欲傳送之服務資料單元(Service Data Unit, SDU)轉換成協定資料單元(Protocol Data Unit, PDU)。此程序包括加上媒體存取控制標頭(MAC Header)、根據資料的長度進行切割與組裝之程序等，然後再以PDU為傳輸單位進行排程。
排程時，則須根據UL-MAP中夾帶的資料叢(Burst)資訊來決定可以傳送多少資料。實做上，為了排程的需求，可以依據連線識別碼(Connection Identifier, CID)將等待傳送的PDU分成不同優先順序的佇列(Priority Queue)來儲存。由於中繼站本身除了管理訊息之外，並不須傳送屬於自己的資料，因此佇列可以分成Basic CID和Primary CID，以提供給傳送訊息使用。由於資策會僅針對上行方向進行實做，因此從用戶端接收進來的資料只須使用一個佇列來實現即可。
當基地台配置的頻寬不足以傳送所有佇列中的資料時，必須傳送一個頻寬需求標頭(Bandwidth Request Header, BR Header)跟基地台要求頻寬。如果基地台配置的頻寬連BR Header都無法傳送或者根本沒有配置任何頻寬時，則須透過競爭的方式，在競爭區間發送CDMA碼向基地台要求頻寬。
Rx負責的功能則跟Tx模組相反。接收時根據DL-MAP中夾帶的資訊分別在下行子訊框和上行子訊框中進行接收。在下行方向收到的PDU為基地台發送之管理資訊，此時須先經過去除標頭、根據資料特性進行重組(Reassembly)與解封包(Unpacking)等程序將PDU轉換成SDU才交給控制模組處理。
至於在上行方向收到的PDU，為用戶端要給基地台的資料。由於本實作案例為透明式中繼站在上行方向的轉送，可以採用叢集式(Burst Based)的中繼方式，直接將收到的資料轉送給基地台，而不須要解讀其內容。因此收到的PDU可以直接轉送到Tx模組進行排程，不必再轉換成SDU，以利加快處理速度。
802.16j肩負WiMAX起飛使命
IEEE 802.16j多重躍進中繼技術延伸原有基地台之功能，不僅擴展WiMAX基地台的訊號覆蓋範圍(Coverage Extension)，也提升系統容量(Capacity Enhancement)、增進系統傳輸能力(Throughput Enhancement)，除了可以替電信業者省下許多設備採購成本之外，在降低骨幹網路部署成本方面的效益更是可觀。
雖然IEEE 802.16j目前尚未頒布為IEEE正式標準，但其降低WiMAX網路布建成本及提升營運效能的優勢，已備受各國際大廠重視，並被期許能加速相關營運業者拓展WiMAX的腳步。
(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)