802.16e基地台MAC設計助力　多重跳躍中繼效益展露

2008-10-17

蕭玉芳

IEEE 802.16j支援多重跳躍中繼站(Multihop Relay, MR)之標準規格旨在解決行動WiMAX基地台(Base Station, BS)布建彈性不足、骨幹網路營運成本昂貴等環境限制問題，因此被視為擴展系統涵蓋範圍及提升系統傳輸能力的重要技術。而依中繼站的目的性及功能不同，可以分為透明式(Transparent)及非透明式(Non-transparent)兩種中繼站(Relay Station, RS)。透明式中繼站可為在原802.16e網路系統中，為受到地形或建築物屏障限制導致訊號收發不良的用戶提供較佳的訊號品質與較高的資料傳輸率。本文將以IEEE 802.16j D3為規範基礎，針對支援上行透明式中繼站(UL-only Transparent RS)(圖1)之WiMAX多重跳躍基地台(Multihop Relay Base Station, MR-BS)媒體存取控制層(MAC)通訊協定的設計與實現進行介紹。

資料庫管理為行動WiMAX基地台MAC之設計重點

依據IEEE 802.16j標準規範，支援上行透明式中繼站之行動WiMAX基地台MAC通訊協定分為三個子層，分別為收斂子層(Convergence Sublayer)、MAC通用子層(Common Part Sublayer, CPS)以及安全子層(Security Sublayer)，往上介接網際網路協定(IP)層，往下介接實體層(Physical Layer)。其各階層的功能除必須支援IEEE 802.16e標準規範既有功能外，最重要的是在MAC通用子層中還必須支援中繼站進入網路程序(RS Network Entry)、上行透明式中繼模式訊框(Frame)架構之排程演算機制，以及MS透過RS進入網路程序等功能。

資料來源：IEEE C80216j-06/132
圖1　支援上行透明式中繼站之WiMAX系統

支援上行透明式中繼站之行動WiMAX系統仍是由基地台統一控管整個網路，所以其MR-BS的系統架構設計與既有支援IEEE 802.16e標準的基地台設計相去不遠。WiMAX基地台MAC通訊協定設計根據子層區分為三大部分進行設計。為支援上行透明式中繼站所新增的功能設計大部分皆集中於通用子層，因此本文將針對通用子層(CPS)做進一步的介紹。

通用子層主要區分成兩個主要區塊，第一個部分是控制區塊(Common Part Sublayer-Control Plane, CPS-C)；第二個部分是資料處理區塊(Common Part Sublayer-Data Plane, CPS-D)。在控制區塊，主要負責功能包括處理從CPS-D過來的資訊、控制每一個MS或RS是否可以進入網路的決策機制、掌控每一個MS或RS進入網路的狀態、負責建立、修改或刪除連線以及負責管理廣播訊息。在資料區塊，其功能包括負責資源排程、接收底層資料、管理CPS-D資料庫，透過以上功能的互動，達成CPS-D傳送下行方向與接收上行方向資料的目的。圖2為支援上行透明式中繼站之行動WiMAX基地台MAC通訊協定設計架構圖，必須進行設計強化以支援上行透明式中繼站的模組以綠色區塊表示。

圖2　WiMAX MR-BS MAC通訊協定設計架構圖

此外，MR-BS MAC通訊協定之資料庫，扮演著維護整個MAC重要資訊的角色。整個MAC資料庫的內容是基於802.16e BS的資料庫內容進行強化。由於增加了RS相關功能，所以在資料庫中除了新增RS資料庫之外，同時由於須註記MS是屬於哪一個RS或MR-BS的服務範圍，所以在MS資料庫中新增父RS(Parent RS)欄位，以利後續管理與使用(圖3)。

圖3　WiMAX MR-BS MAC通訊協定資料庫示意圖

行動WiMAX基地台MAC僅需小幅修改即可支援中繼功能

支援透明式中繼站之行動WiMAX基地台MAC通訊協定設計與實現，是以802.16e基地台的設計實作架構為基礎，再新增支援中繼站RS進入網路、支援透明式中繼模式訊框架構之排程演算機制、以及支援MS透過RS進入網路程序等重要功能。

支援中繼站進入網路程序

RS進行進入網路程序的步驟和MS大致相同，由MR-BS控制狀態機(Control State Machine)模組負責處理，唯有以下三點必須做出相對應的修正：首先，MR-BS會接收到RS帶有初始測距碼設定(Initial Ranging Code Set)的測距碼，表示有RS即將要進入網路。MR-BS模組會通知CPS-D組成分碼多工存取配置資訊元素(CDMA Allocation IE)，以提供RS傳送測距要求(RNG-REQ)訊息，待收到RNG-REQ訊息時，就將其納入RS資料庫進行管理。

由於透明式中繼站只須由MR-BS進行控管，因此在進行測距、基本容量協商(Basic Capabilities Negotiation)和註冊時，不須回報給後端的整合網路閘道器(ASN-GW)，而是由MR-BS直接回應。RS在發送註冊訊息後，RS會等待MR-BS發送路由控制域(RCD)訊息。一旦收到RCD訊息，RS會回覆MR_Generic-ACK訊息給MR-BS，此時RS才算註冊完成。

MS透過RS進入網路程序

有了RS的輔助，MS在上行資料傳輸將會由MR-BS決策是經由MR-BS或是其中一個所屬RS來進行中繼傳輸，因此在既有MS進入網路程序上，負責處理的MR-BS控制狀態機模組必須做出對應修正。

當MR-BS接收到分碼多工存取測距碼(CDMA Ranging Code)或是RS傳送過來的MR_Code-REP訊息時，表示MR-BS或RS已經接收到MS送來的CDMA測距碼，此時MS會啟動T48計時器，等待是否有其他RS或MR-BS會回報同一個CDMA 測距碼的相關資訊，直到T48計時器逾時後，再由接收到各個RS所提供的功率偏移(Power Offset)、時序偏移(Timing Offest)，及頻率偏移(Freqeuncy Offset)調整資訊來決定由哪一個RS/MR-BS來對此MS提供服務，再將上述三項偏移資訊組成RNG-RSP訊息回覆給MS，使MS進行調整，以便接受該RS/MR-BS提供服務。

一旦調整成功後，MR-BS控制狀態機模組會通知CPS-D組成CDMA Allocation IE並指派給提供服務的RS/MR-BS進行接收。若是由RS負責接收MS RNG-REQ訊息，再轉傳給MR-BS時，該RNG-REQ訊息的CID須由廣播CID改為RS Basic CID。MR-BS接收到此RNG-REQ訊息後則得知該MS由此RS負責提供服務，因此MS資料庫的Parent RS將註記此RS為Serving RS，以利後續資料傳送時排程給此RS，由其負責接收來自MS的資料。而MS其後的網路進入訊息傳送路徑皆會由RS轉傳，但MR-BS相關處理機制並不會因此有所改變。

排程演算機制解析

透明式中繼模式之訊框架構如圖4所示，由於目前設計只支援上行透明式中繼模式，因此下行子訊框並不會有選擇性透明區域(Optional Transparent Zone)的配置，上行將畫分為上行存取區(UL Access Zone)與上行中繼區(UL Relay Zone)，MS傳送到MR-BS或RS的資料區間配置於上行存取區，RS負責中繼傳送給MR-BS的資料區間則配置於上行中繼區。MR-BS必須承接不同程序處理所要傳送的業務數據單元(SDU)，以下行方向透過Tx功能來組出適當的協議數據單元(PDU)傳送，並且要盡可能滿足上行頻寬需求，使得MS的資料可以順利經由RS中繼傳送給MR-BS，因此將由MR-BS排程模組來執行排程演算機制，而其排程結果必須滿足上行透明式中繼模式訊框架構。

資料來源：IEEE P802.16j/D3
圖4　透明式中繼模式之訊框架構

首先，此排程演算機制將承接來自實體層的訊框觸發(Frame Trigger)訊息，並接收周圍模組傳送的下行SDU，之後透過上行排程及下行排程來建構出每個訊框的型態，其中在上行子訊框(Uplink Subframe)分割成兩個區塊，分別為上行存取區與上行中繼區，且在上行存取區裡可能會包括一個安全區(Safety Zone)。

上行排程會根據各上行連線頻寬需求(Bandwidth Request)與其連線的服務品質(QoS)參數來做上行資源分配。在執行順序上，會先針對上行存取區作資源分配。上行存取區的資源分為兩部分，即圖5中Region A和Region B。首先對須要透過RS轉傳資料的MS進行排程，然後再對其他MS及還在進入網路中的RS進行排程。其中，須要透過RS轉傳資料的MS是在圖5中Region B的區塊傳送資料，此區塊與安全區相鄰且高度同高。而圖5中，Region A區塊是給予一般MS以及還在進入網路中的RS使用。在中繼區部分，MAC會對已經進入網路中的RS進行排程，亦即依據每個RS在該訊框所分配到轉傳MS資料所需的資源外，再多分配其所需的資源。而下行排程則與802.16e BS相同，是根據各下行連線資料的多寡而進行資源配置。另外，在進行下行排程時，各連線下傳分配量會透過Tx功能，根據不同傳送策略將連線SDU緩衝器中的SDU切割或包裹為多個PDU，送往底層。