前言

在802.16e中，基地台擁有無線資源的控制權，將這些資源做適當分配的流程一般稱之為排程。排程的結果會在每個訊框透過DL-MAP及UL-MAP告知其下的用戶端（SS/MS），其中DL-MAP描述SS/MS如何接收BS的資料，而UL-MAP描述SS/MS如何傳送資料給BS。在802.16e的資料連線上，這兩個訊息扮演著舉足輕重的地位。

排程在BS的運作是一個相當重要的任務。在實作上我們主要以排程模組來負責此任務。本文首先會介紹實作上BS排程的方式，接著會介紹在實作上如何在排程中支援MIMO/MBS/HARQ。

排程

排程的目的及順序

排程的主要目的是組出DL-MAP和UL-MAP，由於DL-MAP和UL-MAP中是以burst來描述資源配置，因此排程的目標也可以視為將各個burst的大小從frame中切割出來；亦即分配DL及UL資源。此外DL方向的資料是由BS傳送給SS/MS，因此在BS排程的過程中，也要產生DL方向的PDU。

因為每個frame都必須包含MAP，所以我們利用PHY層提供的frame boundary trigger，來定期執行分配DL及UL資源的任務。在我們的排程順序上，先排程UL，組出UL-MAP，通知PHY正確接收burst的位置；再排程DL，組出待傳送的PDU，設定PHY正確傳送burst的位置，並將PDU傳送給PHY；最後組出DL-MAP。值得注意的是，DL-MAP描述的是當下frame的DL bursts，UL-MAP描述的是下一個frame的UL bursts，而排程的工作必須在MAP傳送之前，所以排程執行序，實際上是分配下一個frame的DL resources，下一個的下一個frame的UL resources。

Burst的目的及屬性

Burst之所以會存在，是起因於資料傳輸的需求。在DL方向，資料傳輸的需求是源於BS手上有想傳送給SS/MS的資料，若burst所攜帶資料是給所有SS/MS接收，則屬於broadcast類型；若burst所攜帶資料是屬於multicast connection，則屬於multicast類型；若此burst所攜帶資料是只傳送給某個SS/MS接收，則屬於unicast類型。burst與其資料的聯結關係可參見圖一所示。在UL方向的burst方面，若除掉MIMO中的資源共用，則全屬於unicast類型。資料傳輸的需求則是源於SS/MS向BS索取資料傳輸的空間，這方面的關係可參見圖二所示。

《圖一　DL排程示意圖》

《圖二　UL排程示意圖》

connection為基礎的管理排程

排程優先順序

由圖一及圖二可知，大多數的資源是透過connection來管理，所以我們以connection為基礎來做排程。在DL方向，broadcast類別會最先被服務，次之為multicast類別，之後則是unicast類別。在UL方向，CDMA code觸發的頻寬需求會先被服務，之後則是unicast類別。在排程unicast類型的connection時，目前實作上使用scheduling type來訂定排程優先順序，如圖三所示。而擁有相同排程優先度connection的不同SS/MSs，則使用Round-robin排程服務之。

《圖三　Unicast connection排程優先順序流程示意圖》

排程資料分配

為了能順利排程每個SS/MS的各條unicast connection，在排程方面的SS/MS資料結構如圖四所示。每次connection排程時，首先會從資料庫中取得該connection相關資訊，之後會檢查已經被分配給此SS/MS的burst中、未被使用的部分是否能滿足此次connection排程。若無法滿足，則再分配新的資源給此SS/MS的burst，並更新該burst的資源使用情形。最後組織MAP時，則以此SS/MS被分配的slots數（allocated slots）為基礎來描述bursts。

《圖四　排程用資料結構》

MIMO

MIMO及STC技術簡介

廣泛應用在通訊設備的多重輸入多重輸出（MIMO）系統，是指使用多根天線傳送訊號並且使用多根天線接收訊號的系統。在MIMO系統中，常使用空時碼（Space Time Coding；STC）訊號處理技術。而STC技術依目的可分為兩類，一種是用於提高接收準確度，主要是利用空間分集（Space Diversity）的技巧；而另一種用於提高傳輸速度，主要是利用空間多工（Space Multiplexing）的技巧。

BS或SS/MS可依當下傳輸通道的好壞，選擇使用空間分集或者空間多工。例如，處於衰減嚴重的通道時，為提高接收準確度，可選擇空間分集；反之，若訊號強度非常良好，則可選擇空間多工技術以提高傳輸速度。

WiMAX技術應用STTD的矩陣列

在WiMAX技術文件中，使用空間多集常被稱為空時傳送多集（Space Time Transmit Diversity；STTD）。看似依字面表示傳送多集的STTD，實際上使用在WiMAX系統中的多集技術，還包括接收多集（Receiver Diversity）。另外，由於STC習慣把經由不同天線傳送出去的訊符（symbol），表示成矩陣中位於不同列中的元素，所以技術文件中，常將兩根天線的空間多集技術稱為使用矩陣A （Matrix A），此為使用空時碼中著名的Alamouti Scheme。而使用空間多工技術亦常被稱為使用矩陣B（Matrix B）。使用三根天線以上的STC矩陣，通稱為矩陣C（Matrix C）。

支援MIMO的排程

針對一個支援MIMO系統的SS/MS，BS可選擇替該SS/MS排程空時多集或者空時多工，該SS/MS亦可提出要求使用何種技術。在此，我們分為DL、UL兩個方向來說明如何替支援空時碼的SS/MS排程。

DL排程

由排程介紹可知，排程時以connection為基礎進行排程，以slot為基本單位，分配DL subframe給該connection所屬的SS/MS。然而，對於支援STC的SS/MS，BS針對每個SS/MS，決定使用的STC後（決定STC的機制不在排程範疇），分配DL subframe的動作需要因應STC的不同而有所改變。主要是因為每個slot所能負載的資料量會隨著使用的STC改變。例如，使用2根天線矩陣B STC的SS/MS，每個slot的負載資料量，是使用傳統單根天線且調變、編碼方式相同SS/MS的2倍。另外，為了支援STC，BS組出的DL-MAP必須能描述出使用STC的區間（STC zone），及位於該區間的bursts。WiMAX規格書中提供多種描述使用STC burst的方法，在此介紹兩種較常用的方法。

STC/DL Zone Switch IE搭配一般DL-MAP IE

STC/DL Zone Switch IE除了描述一般區間的特性，如Permutation、Use All SC indicator、DL_PermBase、PRBS_ID、AMC type外，還有描述STC區間的參數STC、Matrix Indicator、Midamble presence、2/3 antenna select、Dedicated Pilots。在DL-MAP中使用STC/DL Zone Switch IE，會將區間切換至STC區間，其後使用一般的DL-MAP IE描述的bursts，在下一個STC/DL Zone Switch IE出現之前，都屬於該STC zone。舉例來說，STC/DL Zone Switch IE 中的STC＝1（2/3 antenna），Matrix Indicator＝0（Matrix A）、2/3 select＝0（using 2 antenna），而在此STC/DL Zone Switch IE之後出現的一般DL-MAP IE描述的bursts，都代表示其傳送方式為兩根天線Matrix A。

因為傳送bursts所屬STC的特性完全依賴STC/DL Zone Switch IE來描述，所以想要在同一個DL subframe中傳送給使用不同的空時參數的SS/MS，必須利用STC/DL Zone Switch IE切割出不同的STC zone，所以還有另一種較為簡便的方式來支援此種情形。

STC/DL Zone Switch IE搭配MIMO DL Basic IE

MIMO DL Basic IE可以描述多個矩形的burst，每個burst可有自己的Matrix_Indicator（Matrix A or Matrix B）。若以MIMO DL Basic IE描述的burst所屬STC參數與STC/DL Zone Switch IE不同時，則以MIMO DL Basic IE為準。由上可知，此時STC/DL Zone Switch IE主要用來描述接下來的STC zone使用幾根天線做為傳送依據，除了天線數以外的STC參數，則由MIMO DL Basic IE描述，此方法可讓使用矩陣A、B的bursts在同一個STC zone傳送。

UL排程

如同DL的STC，排程UL subframe時，每個slot可負載的資料量因STC不同而不同，此部分與DL subfram的因應方式相同。不同於DL subfram使用空時技術，UL subframe不需要分配出STC zone。在此將UL subframe排程STC bursts的方法分成兩類來介紹。

合作的SS/MSs

此類型將同一塊UL區塊分配給兩個不同的SS/MSs，而此二SS/MSs必須使用不同的pilot pattern，來讓BS估測來自不同SS/MS的通道響應，再以訊號處理技術解調出各別的資料。在BS決定某兩個SS/MS使用合作的空時技術時（決定機制不在排程的範疇），排程時會將此二SS/MS一起排程。

舉例來說，當BS決定SS/MSs（代號A、B）使用合作空時機制、排程A的connection時，分配N slots給A，同時隱含N slots也被分配給B；當排程B的connection時，若B要求的UL資料量小於 N slots，則不需再多分配資源給B。若大於N slots，假設不夠M slots，則會再分配M slots給B，且隱含A也被多分配M slots。依此類推，最終A、B會被分配到相同的資源。為了描述合作的SS/MSs，BS在UL-MAP中必須使用MIMO UL Basic IE，並設定其Collaborative_SM_Indication為1，並且一個使用pilot patter A、另一使用 pilot patter B。（pilot patter請參閱WiMAX規格書）。

使用STC的SS/MS

排程UL使用STC的SS/MS，與排程DL使用STC的方法類似。如同合作的SS/MS，BS在UL-MAP中加入MIMO UL Basic IE來描述使用STC的SS/MS，不同的地方在於此IE中的Collaborative_SM Indication設定為0，而其MIMO_Control（STTD or SM）參數，則由使用該SS/MS使用的STC來決定。

支援MIMO排程的資料結構

為了支援MIMO排程，在每個SS/MS的資料結構中加入DL及UL STC parameters，如圖五所示。若兩SS/MS使用Collaborative UL技術，則UL STC parameters中的collaborative SM enable＝1，且其clbSS/MSPariIndex指向collaborative resource array中的同一index，做為合作排程的依據。全域參數UL collaborative resource array如圖六所示。

《圖五　DL/UL STC參數示意圖》

《圖六　UL collaborative resource array示意圖》

HARQ

HARQ技術簡介

HARQ是綜合PHY與MAC層的能力來實現的重傳機制。PHY層在HARQ中所負責的是暫存可能需要重傳的資料、以及執行為了實現HARQ所做的編碼及解碼動作。這些編碼解碼的動作包含用於錯誤偵測的CRC、用於ACK/NACK的HARQ ACK channel、以及用於incremental redundancy之用的sub-packet。而MAC層在HARQ中所負責的是對HARQ支援能力的溝通、以及HARQ相關的排程動作。

HARQ 排程流程

HARQ channel為核心

在MAC層的HARQ排程動作方面，是以HARQ channel為核心來運作，所謂的HARQ channel可以被視為在HARQ運作中攜帶資料與控制訊息的通道。在DL-MAP以及UL-MAP中描述的是HARQ channel的資源配置，因此在資源配置上HARQ channel與普通排程中的burst地位類似。ACK/NACK是針對一個HARQ channel中的資料是否送達，重傳的動作則是將一個HARQ channel中攜帶的資料再傳輸一次，由此可見HARQ的排程流程是圍繞著HARQ channel來進行。

HARQ channel歸屬架構

在HARQ channel的歸屬方面，每個支援HARQ的SS/MS會擁有一到多個HARQ channel可供使用，擁有的HARQ channel數目是在進入網路時的能力協商過程中所溝通的，而之後在connection建立的過程中，會協定connection是否支援HARQ的能力，若支援則會分配一到多個HARQ channel給該connection使用。

ACK/NACK

在ACK/NACK方面，UCD中會定義HARQ ACK delay for DL burst，指出SS/MS應該在收到DL HARQ burst之後的第幾個frame傳送ACK/NACK給BS。在DCD中則會定義HARQ ACK delay for UL burst，指出BS應該在收到UL HARQ burst之後的第幾個frame傳送ACK/NACK給SS/MS，但BS傳送ACK/NACK給SS/MS的行為則是可被省略。

DL排程

HARQ channel為中心

圖七為DL HARQ排程的大致流程。在排程第一次傳送的DL HARQ資源時與普通的DL排程差別，在於各個connection的PDU是透過HARQ channel來傳輸，因此配置資源給burst的動作，要改成配置資源給該connection可以使用的HARQ channel。在搜尋可用的HARQ channel實作上，會先尋找本frame中已被其他connection使用的HARQ channel，這是為了減少一個frame中使用到的HARQ channel數量。

HARQ channel和burst的平衡關係

此外DL-MAP在描述HARQ channel時，會將多個HARQ channel匯集到一個HARQ burst之中來做描述，描述順序上是先描述HARQ burst，再描述其中的各個HARQ channel。HARQ burst可被視為較大的資源容器，在資源配置上是以一個矩形的區間被描述，而包含於其中的各個HARQ channel，是依照被描述的順序使用HARQ burst中的資源，因此各個HARQ channel所使用的資源總和，是不能超過HARQ burst所被配置的資源量。在排程實作上，一個HARQ channel被用來排程之後，便會鏈結到HARQ burst之內，在配置資源給HARQ channel的同時，也會同時增加該HARQ burst所使用的資源量。

《圖七　DL HARQ排程示意圖》

鏈結傳輸特性

在一個HARQ channel被排程之後，會與其他在同一個frame被排程的HARQ channel鏈結在一起。在該frame之後HARQ ACK delay for DL burst的那個frame，在UL區間會配置一個HARQ ACK region，以供擁有鏈結中那些HARQ channel的SS/MS傳送ACK/NACK。若是接收到ACK，則會將收到ACK的HARQ channel從鏈結中移除。當ACK的接收時間點過了之後，還留在鏈結中的HARQ channel就會被視為必須被重傳。

在目前的實現上，處理unicast排程時，需要被重傳的HARQ channel會先被服務，之後才會如前所述的以scheduling type區分各connection的優先度來服務。

UL排程

圖八為UL HARQ排程的大致流程，在HARQ channel與HARQ burst的方面與DL HARQ相當類似，差別點在於UL-MAP中並不描述HARQ burst所佔用的資源量。這是因為在配置UL頻寬時並沒有矩形配置的限制，因此實作上不需要記錄HARQ burst所使用的資源量。

《圖八　UL HARQ排程示意圖》

亦具備鏈結傳輸特性

在一個HARQ channel被排程之後，會與其他在同一個frame被排程的HARQ channel鏈結在一起。當BS成功接收到HARQ channel的資料，就會將該HARQ channel從鏈結中移除。當接收資料的時間點過了之後，還留在鏈結中的HARQ channel就會被視為必須被重傳。

在目前的實現上，處理unicast排程時，需要被重傳的HARQ channel會先被服務，之後才會如前所述的以scheduling type區分各connection的優先度來服務。

MBS

當服務流是橫跨多個SS/MS時，BS可與SS/MS建立MBS（Multicast and Broadcast Service）。以MBS的範圍而言，可分為單一BS傳播範圍內的MBS（Single-BS MBS）及多個BS傳播範圍內的MBS（Multiple-BS MBS）。MBS屬於multicast類型，所以會在broadcast類型connections之後排程之，先排程Multiple -BS MBS，再排程Single-BS MBS。以下分別介紹支援Single-BS MBS及Multiple-BS MBS的排程方法。

Single BS MBS

Single-BS MBS指MBS的範圍局限在單一BS中，只要MS離開此BS，則該MBS資訊即不再適用，必須重新建立MBS。因為MBS是屬於跨SS/MS的資料，所以必須建立全域的single-BS MBS list，用來儲存屬於single-BS MBS的排程資料，其中每個node中的connection parameters為此MBS的連線參數，burst information為排程時的資源分配情形，basic cid list則記錄此MBS的傳播對象SS/MS為何，multiple BS MBS burst ptr指向multiple BS MBS專屬的資料庫，在single-BS MBS將此pointer指向NULL。

《圖九　Single-BS MBS排程資料結構示意圖》

排程Single BS MBS模式

除了使用single-BS MBS專屬的資料庫外，排程MBS的方式與排程unitcast型態connection的方式雷同。在DL-MAP中描述single-BS MBS的方法有兩種：一般的DL_MAP_IE或MBS_MAP_IE。不管使用哪一個IE，傳送給多個MS的burst，只需要使用一個IE即可描述MBS burst。在MBS_MAP_IE之中，將Macro diversity enhanced設定為0，即可用以描述single-BS MBS，在此IE在資源描述上比一般DL_MAP_IE多描述 MBS Zone identifier，但因single-BS MBS只局限在一個BS cell範圍內，所以MBS Zone identifier在此並非重要的欄位。

Multiple-BS MBS簡介

Multiple-BS MBS指MBS的範圍可跨越多個BS。SS/MS建立MBS後，當SS/MS離開原本註冊的BS進入另一個BS時，只要BS所屬的MBS zone identifier相同，則SS/MS不需要重新建立該MBS，即可接收MBS data。在介紹支援Multiple-BS MBS的排程之前，需要先了解幾個Multiple-BS MBS相關的DL-MAP IE及meSS/MSage。

MBS_MAP_IE

在介紹single-BS MBS時MBS_MAP_IE曾被提過，不同的是用於Multiple- BS時，Macro diversity enhanced必須設定為1，接著描述MBS zone的symbol offset及該MBS zone的起點是否有MBS_MAP meSS/MSage，若有則描述其調變及編碼方式。由此IE可知，BS必須在DL subframe規劃出屬於multiple-BS MBS的傳送區域（MBS zone），每個MBS zone使用MBS zone identifier辨識之。

MBS_MAP meSS/MSage

MBS_MAP meSS/MSage的傳送位置必須在MBS zone的第一個data region，而MBS zone的起點由MBS_MAP_IE描述，所以MBS_MAP meSS/MSage的傳送位置、調變、編碼方式，皆描述於MBS_MAP_IE中。MBS_MAP meSS/MSage用來描述MBS data的傳送時間及位置，在MBS_MAP meSS/MSage中，使用MBS_DATA IE描述MBS data region。

MBS_DATA_IE

MBS DATA_IE主要用來描述MBS burs出現的時間及位置（symbol offset及subchannel offset），根據此IE的MBS Burst Frame Offset參數，MBS burst實際上是在2～5個frame後傳送，並且此IE描述下一次MBS_MAP meSS/MSage出現的frame offset及symbol offset。

排程Multiple-BS MBS模式

連接MBS zone訊息

為了能排程多個MBS zone，我們建立一個MBS zone info array。初始化時，array中的每個元素都指向NULL。BS與SS/MS建立multiple-BS MBS時，BS會比對是否有相同的MBS zone id位於資料庫中。若有，則將此MBS資訊加入屬於具有相同MBS zone id的MBS zone information中的MBS list；若無，則BS會動態配置MBS zone information，並且尋找array中原本指向NULL的元素指向此動態配置的MBS zone information。

frame排程傳送次序

因為MBS_DATA_IE中描述2～5 frame後的MBS burst，所以排程完MBS burst後，並不能在當下的frame傳送出去。因此在MBS information中的multiple-BS MBS burst ptr，指向排程MBS burst的資訊，排程結果的參數會被保留住，等待真正需要傳送的frame到達時，BS依此資訊設定PHY傳送所需的參數，幫助PHY正確傳送MBS bursts。

同時因為此frame傳送的MBS burst是在2～5個frame前就被排程好，所以每個frame開始排程DL subframe之前，必須檢查是否有待傳的MBS burst必須在此frame傳送出去。若有，必須分配資源給那些bursts，剩餘的資源才能繼續排程其它DL connection。MBS burst結構中的frame offset counter，是用來倒數排程MBS burst後經過的frame數，每個frame經過此計數器都會被減1，減為0即代表此frame必須將該MBS burst傳送出去。

MBS_MAP meSS/MSage資料庫

每個MBS zone都有一個紀錄MBS_MAP meSS/MSage的資料庫，sched記錄是否被排程，burst information為排程時的資源使用情況，num of symbol、num of subchannl指被分配的資源，symbol offset、next symbol offset分別代表當下與接下來出現的MBS_MAP meSS/MSage的位置。若當下frame有需要傳送的MBS bursts或有排程出MBS bursts，則必須傳送MBS_MAP meSS/MSage（sched會被設為1）。若當下frame有需要傳送的MBS bursts或者有MBS_MAP meSS/MSage需要傳送，則DL_MAP中必須包含MBS MAP IE。依上述方法，即能排程並且組出支援Multiple-BS MBS的DL_MAP及MBS_MAP meSS/MSage。

《圖十　multiple BS MBS資料庫示意圖》

結語

在802.16e中，MIMO被引入作為提升傳輸率或提升傳輸品質的方法，HARQ被引入作為更快速的重傳機制，MBS被引入作為規範multicast頻寬配置的方法，由於篇幅關係，僅對上述部份做初步介紹，有興趣的讀者可以參考802.16e相關書籍。