WiMAX面臨之無線問題仍需技術再突破

隨著技術之演進，大頻寬高頻譜已然成為無線通訊之趨勢，因為高速資料傳輸的需求，所以頻寬的設定必須逐步成長，從GSM的二代行動通訊到WCDMA的三代演進，佔用的頻寬一直呈倍數來增加，而在固有頻譜不敷使用的情形下，各項技術只好朝高頻帶發展。

　　然而高頻帶雖然有足夠的頻寬來使用，但是各項技術問題亦接踵而來。除了需要製程技術之持續突破外，更大的問題是無線電磁波的傳播特性卻隨之衰褪。根據COST 231模型可知，電磁波的傳遞有直射、反射、繞射及散射等各種形式，而每種傳輸模式都會因頻率的上升而造成性能的下降，尤其在室內的衰減更是明顯。舉例來說，該模型在室內定義了所謂的樓層穿透力衰減，在900MHz的頻率系統下，該衰減值為2dB左右，然而當頻率升至1800MHz時，衰減值竟到達12dB～20dB。而目前之通訊技術使用之頻帶動輒2GHz或3GHz，其性能之降低，是各通訊技術人員不可忽視的重要問題之一。

　　接著在基頻訊號處理上OFDM目前幾乎成為次世代通訊技術的主流，其多載波的特性克服了通訊技術上最棘手的多路徑問題，且各載波正交以最佳化頻寬使用效率的優勢，使其成為多載波技術的不二選擇，因此各項新制定之通訊實體層技術幾乎都選擇OFDM技術。但是OFDM仍然存在未解決的問題，其一是載波間干擾（ICI）的問題，其二則是峰值功率比（PAPR）的損失。這些問題隨著OFDM技術開始研發製造，並實際佈建與商用之後已逐漸受到重視。

　　以PAPR的問題而言，一般WiMAX技術中PAPR所造成的峰值與均值功率的比值可達6～12dB，以倍數來看是4～16倍，也就是說這些為了應付這些峰值的需求，產品必須提供倍數的傳輸能力，其影響最主要的元件，就是射頻模組中的功率放大器（PA）。舉例來說，現行用戶端裝置的PA設計功率大概為1W，而為了滿足PAPR的需求，則必須使用4W或甚至16W的PA，以用戶端的角度來看根本無法產品化，且用戶端產品的成本與功耗將完全由PA元件所主導。

訊號重複器之力有未逮

因此根據上述的現行問題分析，訊號涵蓋能力將成為下一代通訊技術的重要挑戰，整理如下。

因此各種能力增進之技術也相繼提出，如微型（pico-cell）基地台、家用小型（femto-cell）基地台、中繼站等，其中訊號重複器也成為討論之解決方案之一。

　　訊號重複器目前已經普遍使用於現存的2G/3G電信系統，其功能是在天線端訊號擷取後，直接放大一個固定的增益，接著再將訊號由另一個天線傳送出去。因為所有的處理都在射頻，而不經過基頻訊號的處理與重生，所以又稱為類比訊號重複器。

　　以類比方式重複訊號的方法，在射頻技術上難度相當高，例如傳送端與接收的阻隔能力必須足夠，否則傳送之訊號將會被接收端所接收而再次放大，造成整個增益迴路的過飽和，甚至接收端元件的損壞。因此在實務上，訊號重複器會以地理位置與環境結構作為區隔，例如接收器與傳送器分置於室內與室外來有效阻隔能量，並配合干擾消除技術來解決剩餘的耦合訊號。

　　而中繼站技術的產生正好可以克服訊號重複器能力之不足，可分成幾點來比較。首先是數位的增益，訊號經過中繼站後將會進入基頻訊號的處理，依解調變、解錯誤更正碼等程序，把訊息以數位方式重現，其中解錯誤更正碼處理具有資料更正之能力，可提高訊息之準確度。另外是分時收送的區隔，中繼站技術在接收訊號與傳輸訊號在時間上是分開的，所以可以避免射頻模組需同時服務訊號的傳送與接收所造成的問題，而訊號重複器的傳輸與接收訊號間耦合的問題也不會發生，射頻模組的設計可以更加簡單。不過在基頻訊號處理以及通訊協定處理上實作的複雜度卻明顯增加，例如訊框架構的改變以及同時需支援上下行訊號的處理。一般而言，中繼站的複雜度幾乎可以看成一個用戶端裝置以及一半的基地台實作複雜度的總和。

穿透式中繼站的技術研發

接下來從IEEE 802.16j標準的定義來討論穿透式中繼站技術的實作與開發，首先如圖一為IEEE 802.16j所定義的穿透式中繼站訊框架構，其中DL Subframe與UL Subframe分別代表下行與上行的子訊框，這兩組子訊框分別再被切割成兩個區段來服務與基地台和用戶台的連接與轉傳。以上行的子訊框為例，中繼站將在UL Access Zone區段接收用戶台訊號，並於UL Relay Zone將訊號傳送給基地台，因此在實體層的實作上並需同時支援上行的傳輸訊號處理以及上行的接收訊號處理，再加上控制訊息的處理，則整個中繼站實體層比起用戶台或是基地台，將多了一倍以上的複雜度。

《圖一　IEEE 802.16j定義之T-RS訊框架構圖》 資料來源：IEEE 802.16j Draft 3

另外在通訊協定層的處理上，中繼站在MAC層的通訊協定部分，有以下幾種程序的定義。

首先在中繼站入網程序的部分，與一般的用戶端裝置直接與基地台接取進入網路的程序大致相同，除了在入網的程序時，必須讓基地台清楚目前連上網路的是一般的用戶裝置還是中繼站。在標準的定義中，可使用所謂的專屬測距碼方式，在一開始測距的程序時，就讓基地台知道是中繼站入網。所以當完成註冊程序後，基地台會主動發佈RS_CONFIG.CMD的命令，通知中繼站開始進行中繼功能的服務。

　　而在中繼站協助用戶端裝置入網的程序則定義了中繼站必須隨時監聽測距競爭區間的訊號，並將接收品質回報基地台。因為用戶端入網時，一開始就執行測距的程序，所以所有穿透式中繼站以及基地台都將收到這個測距的訊號，接著基地台再根據接收品質的好壞，來判斷由那個中繼站或是基地台自己來服務這個用戶端裝置。

　　再來即是最重要的資料轉傳程序，如圖二所示，在穿透式中繼站的架構下，所有排程工作皆是由基地台來處理，因此基地台必須清楚知道哪些中繼站服務哪些用戶端裝置，以及排程中繼站將傳送多少資料到達基地台。在標準中提供了許多這類路徑管理與規劃的方法，其中最簡單的實現方式是所謂的叢組遞交的方式，這種方式直接使用MAP來通知中繼站需要接收的用戶台資料位置，而不需監視用戶端裝置與基地台的路徑建立資訊以及內部產生路徑規劃的資料結構來達到資料轉傳的目的。該機制可大幅降低中繼站在MAC層的複雜度，並有機會將之實作於硬體來加速協定層的處理速度。

《圖二　中繼站的叢組遞交資料轉傳表示圖》 作者自行繪製

IEEE 802.16j技術標準之盲點

中繼站的技術的確為即將面臨的無線問題提供了一套解決方案，而且技術內容也有許多創新的部分，然而中繼站技術仍算是一項新興的技術，因此成熟度上仍顯不足，在此將簡略提出幾項技術標準考慮未周延的問題來與讀者分享穿透式中繼站技術中，尚未解決的盲點。

　　首先是服務之中繼站切換的問題，因為用戶端裝置有可能因為移動，而造成原本服務的中繼站需要做切換。而標準中在穿透式中繼站模式下，先行假設用戶端裝置會持續且不定期的發送測距碼，因此各中繼站及基地台只要持續監視測距碼的區間，自然可以適應性的切換到合適的服務站台，所以並沒有針對穿透式模式下，中繼站切換的問題來進行處理。不過持續且不定期的發送測距碼的假設卻不一定是成立的，當用戶有一持續且不中斷的服務時，例如UGS（Unsolicited Grant Service）的服務，用戶端裝置並不會發送測距碼，因此將造成中繼台無法切換。然而該項服務其實是應用於常態的語音連線服務。所以當顧客使用資料傳輸時不會有問題，反而是打電話時卻造成斷訊，這種情況是不會被一般通訊服務所接受的。

　　接著則是中繼站與用戶端裝置的同步問題，如圖三所示。目前在WiMAX系統下，使用的同步技術是用戶端對基地台先進行點對點的開迴路同步，接著配合通訊協定的溝通再進行閉迴路的同步，而當穿透式中繼站加入後，用戶端依然針對基地台的下行訊號執行開迴路同步，而僅在用戶端傳送測距碼時，才有機會與中繼站進行閉迴路同步。因此大部分的時間中繼站與用戶端是呈現非同步的狀態，而造成時序的漂移以及頻率的誤差。這些問題都會讓中繼站與用戶端的連線品質變得不佳，而失去了中繼站中繼訊號的美意。

（來源：作者自行繪製）

《圖三　中繼站在實體層同步處理誤差的示意圖》

另外中繼站需要同時接受基地台訊號以及用戶端訊號，而兩者訊號水平不匹配的情況也是技術標準中不曾提及的問題，如圖四所示。穿透式中繼站的RF模組只有一組，因此接收訊號的增益調整也只有一個，但是穿透式中繼站卻需要同時接收基地台所發送的下行訊號以及用戶端所發送的上行訊號。當用戶端一開始進行入網時，用戶端的功率調整會依照接收到的基地台訊號大小來判斷可能的路徑損失，而用開迴路補償路徑損失的方式來定義初始訊號的大小。因此中繼站一定會收到一個比下行訊號高出許多的上行訊號，但是接收增益卻無法事先得知而隨之調整，因此接收器將造成飽和以致無法辨識資料。

　　此外在應用上，中繼站絕大部分是非常貼近用戶端的，所以用戶端對中繼站的路徑損失會變得非常小。可想而知，最差的情形將是當中繼站的接收器收到0dBm強度以上的訊號時，RF模組極可能因為接收訊號過強而導致損壞，而這個問題是中繼站佈建時必須審慎考慮的。

（來源：作者自行繪製）

《圖四　中繼站面對用戶端與基地台訊號水平未匹配的示意圖》

穿透式中繼站之應用

雖然現行的穿透式中繼站技術仍有許多待解決問題，但是這項新技術的可能應用卻依然令人期待，因此許多電信營運商相當關心穿透式中繼站技術的成熟與否。而其技術受歡迎的應用主要有以下兩項：

電信營運商在佈建網路時，其涵蓋範圍的決定通常會考慮訊號品質以及用戶密度。以目前而言，WiMAX的營運才剛要起步，用戶數量不會太多，所以能以最少的基地台來服務最大的範圍是目前佈建的思考方向。然而經過本文先前的探討，瞭解到目前用戶端的訊號傳輸能力有限，所以用戶端訊號傳輸能力將成為WiMAX涵蓋範圍的瓶頸。而穿透式中繼站的加入，正好可以加強用戶端的傳輸能力，以增加網路涵蓋的範圍。藉此則可有效降低目前的營運成本，並在服務範圍內提供良好的訊號品質。

　　最後則是對於室內穿透力問題的解決。以實務來看，高傳輸量的使用者多半會靜止地在室內，因此能夠若滿足此類的使用者，將會帶給營運商最高的收益。換句話說，室內穿透力解決方案的優劣將變成市場決勝之關鍵，而穿透式中繼站的主要功能正好能符合室內穿透力的加強。並且於微型基地台以及家用基地台做比較，無論在成本或是佈建難度上，中繼站都具有絕佳的優勢。

---本文作者王吳祺任職於資策會網路多媒體研究所---