无线网络自发展之初，即遵循以基地台直接联机用户的架构提供接取服务，这个架构设计上固然具有容易管理的优点，然而由于系统的服务范围，完全取决于系统营运商布建基地台的覆盖率，换言之营运商必须大量的布建基地台，才能够服务更多的用户，但建设所需要的土地空间、网络布线与施工时间等因素，使得建置成本高居不下。因此，为解决现阶段瓶颈，发展能大幅强化网络布建的速度与广度之中继台技术，便成了辅助基地台布建不足的重要决胜的关键。

资策会网络多媒体研究所自2006年起，即于IEEE 802.16 Relay TG积极进行国际标准提案，同时掌握技术先机并与国际大厂建立良好的伙伴关系，发展至今成果丰硕，不但厚实产业的整体价值，亦累积宝贵的资产。以标准制定为例，不但为台湾抢得发展WiMAX中继台产品之先机，更于2008年初领先推出全球WiMAX中继台之实验雏形。此外，藉由参与IEEE 802.16m TG标准制定活动，更期全方位掌握IMT-Advanced中继台的技术发展趋势，有效争取4G中继台市场先机。

IEEE 802.16中继站之简介

《图一 IEEE 802.16j使用形态之ㄧ》 数据源 IEEE 80216j-06/015

利用中继台技术来辅助基地台进行网络建置，有延伸覆盖范围与提高数据传输率两个优点。首先，在延伸覆盖范围方面，如图一所示，单个基地台可以透过搭配多个中继台的方式，来弥补基地台讯号无法涵盖的地方，如此一来，该基地台的服务范围将可大幅延伸。在此概念下常见的情况有二，一者为因地形地貌阻隔了电波传递，基地台的讯号无法遍及每一个角落，因此建置中继台来解决通讯死角，该情况在都市地区较为常见。再者则是因当地用户数量较少未达经济规模，由中继台代替基地台的作法，这不但可确保通讯质量，另一方面更可有效降低布建成本。

在提高数据传输率方面，行动装置使用时会根据其所侦测到的讯号强弱「讯噪比（SNR）」，选择要直接向基地台或者是透过中继台来建立联机。在实务上基地台与中继台之间，一般都会建立直视的无线信道来确保较高的讯噪比，而因中继台与行动台之间的距离较近，能确保较高的讯噪比之故，中继台便成为用来提升用户的数据传输率，进一步提升整个无线网络系统的数据传输率的重要技术。

提高数据传输率的效应对身处室内的用户效果最为显著，如图二所示。然而，为了符炉合量产与成本效益法则，相对的挑战也随之而来，特别是中继台的设计简单化、功能整合化，例如将无线网络功能如网络允入、路由等，透过基地台做有系统的统筹管理，成为必然的趋势。另一方面，原来用于基地台直接联机架构中的安全性设计，也需要重新检讨设计，再者，布建大量的中继台可能会造成严重的讯号干扰问题，使得实际可用的数据传输率大幅下降，反而达不到原先布建的目的，故在规划中继台建置时，需要考虑避免干扰问题。

《图二 IEEE 802.16j使用形态之二》 数据源 IEEE 80216j-06/015

IEEE 802.16j使用形态之二在IEEE 802.16j的规格订定中，中继台因能增进网络效能及涵盖率，已获许多国际大厂的重视及投入。于WiMAX2也就是IEEE 802.16m的发展上，有鉴于LTE Advanced亦将中继台的技术纳入主要发展的项目之ㄧ， 许多国际大厂亦于IEEE 802.16m Working Group的大会成立IEEE 802.16m Relay Rapporteur Group，负责以既有的IEEE 802.16j Draft Standard标准为基础，发展适合IEEE 802.16m的中继台规范。

《图三 IEEE 802.16m标准发展时程》 数据源 IEEE 802.16m WG

IEEE 802.16中继站之技术议题

本文将从IEEE 802.16j中继台开始介绍，并与IEEE 802.16m之中继台作比较。在标准规格的设计上，IEEE 802.16j为了避免更动现有的IEEE 802.16e-2005的手机，让现有的手机也能在有中继台的网络中使用，因此需要考虑许多技术问题。然而IEEE 802.16m的中继台因其与基地台/移动台一起设计故无此限制，也让中继台的标准设计上有更多发挥的空间。本文也将着重于下列中继台技术的说明：中继台的模式、讯框结构、中继站状态流程图与网络进入、排程与密码管理?、数据传送与路由以及空间分工与协同合作等方向。

中继台的模式（Relaying mode）

IEEE 802.16j中继台的模式，可依据是否广播框架前导讯号、下行与上行排程讯息，分成不广播框架信息的穿透式中继台与会广播框架信息之非穿透式中继台两种，如图四所示。由于手机会根据广播框架信息来辨识基地台并与其同步，故使用穿透式中继台的优点在于其系统复杂度较小，而使用非穿透式中继台的好处在于可以支持多跃转传的设计。因此，若是要提高用户的数据率与系统容量，穿透式中继台会是较好的选择；若是要扩大基地台的服务范围，消弭通讯死角，则必须使用非穿透式中继台。IEEE 802.16m中继台的设计基本上除了依据IEEE 802.16j中继台的模式作分类外，也预计加入16m系统所特有的多频带技术，如图五所示。由于该技术于标准上仍在讨论中，故在此并未多作着墨。

《图四 16j/16m中继台（Relay Station）的型式》 数据源 IEEE C80216j-06/132

《图五 16m中继台（Relay Station）的型式》 数据源C80216m-09_0389

讯框架构（Frame Structure）

图六为IEEE 802.16j标准中所定义之二跃式穿透式中继传输技术之无线通信系统示意图，该图包含基地台框架结构及中继台框架结构。其框架结构又可依据数据传输的方向区分为下行子框架以及上行子框架。于基地台框架结构中之下行子框架可分为行动台及中继台下行区与穿透式下行区，其上行子框架可分为行动台上行区、以及中继台上行区。于穿透式中继台框架结构中之下行子框架可分为中继台接收模式之下行区、与穿透式下行区，其上行子框架可分为行动台上行区，以及中继台传送模式之上行区。基地台透过二跃式（2-hop）中继系统之数据传输，乃利用其行动台及中继台下行区将行动台之数据先行传送给中继台，中继台再利用其穿透式下行区将数据转传至行动台。于上行部份行动台在中继台之行动台上行区上传数据后，中继台随即利用其中继台传送模式之上行区将数据传输给基地台。

《图六 二跃式穿透式中继台框架结构》 数据源 IEEE 802.16j/D9

图七为IEEE 802.16j标准所定义之二跃式非穿透同时收送式中继传输技术标准之无线通信系统示意图，其系包含基地台框架结构及中继台框架结构。基地台框架结构又可依据数据传输的方向区分为下行子框架以及上行子框架。于中继台框架结构中可分为主要频带框架结构与次要频带框架结构，其中主要频带框架结构之中继台传输方式如同行动台一般与基地台进行通讯；而次要频带框架结构之中继台传输方式则如同基地台框架结构可区分为下行子框架以及上行子框架。基地台透过二跃式中继系统之数据传输，乃利用其主要频带框架结构将行动台之数据先行传送给中继台，中继台再利用其次要频带框架结构将数据转传至行动台。于上行部份行动台在次要频带框架结构上传数据后，中继台随即利用其主要频带框架结构将数据传输给基地台。

《图七 二跃式同时收送非穿透式中继台框架结构》 数据源 IEEE C802.16j-08/142r3

IEEE 802.16m的基地台讯框结构有别于IEEE 802.16e的讯框结构乃是以八个子框架来构成一个讯框结构。故IEEE 802.16m的中继站亦是以八个子框架来构成讯框结构，其除了一般之下行子框架与上行子框架之外，还包含传送子框架与接收子框架。下行子框架用于传送数据给其下服务之中继站与行动站。上行子框架则用于接收其下服务之中继站与行动站的数据。传送子框架用于传送下行数据给其下服务之中继站与行动站，亦可同时传送上行数据给其上之基地站与中继站。接收子框架则用于接收其下服务之中继站与行动站的上行数据亦或接收其上之基地站与中继站的下行数据，如图八所示。

《图八 IEEE 802.16m中继站之讯框结构》

中继站状态流程图与网络允入（Relay Station State Diagram & Network Entry）

中继台允入网络，基本上是依据行动台允入网络的方式来进行，但因中继台仅包含PHY与MAC层其会略过IP层相关之程序。为了降低中继台之间的相互干扰，中继台于进入网络时会先扫描附近基地台或中继台的讯号强度，并回报给基地台。图九为IEEE802.16m中继站状态流程图，其包含三种状态：初始化状态、链接状态与运转状态。

《图九 IEEE802.16m中继站状态流程图》 数据源 IEEE C80216m-09/0388

图九为初始化状态流程图，于初始化状态时，中继站将寻找基地站之同步信号，并与同步信号同步后将透过广播讯号撷取系统信息。取得广播讯号之后，中继站将进入链接状态。同时系统将为中继站选定将最适当的网络拓墣。

《图十 初始化状态流程图》 数据源 IEEE C80216m-09/0388

初始化状态流程图

《图十一 链接状态流程图》 数据源 IEEE C80216m-09/0388

链接状态流程图

《图十二 运转状态流程图》 数据源 IEEE C80216m-09/0388

运转状态流程图

排程与密码管理（Scheduling and Security）

中继台的加密性分为集中式密码管理与分布式密码管理两种。顾名思义，集中式密码管理是由基地台统一进行与行动台之间数据收送的加密/解密（encrypt/decrypt）管理；而分布式密码管理则是基地台与中继台分别对自己负责的用户进行行动台之加密解密管理。要注意的是，分布式密码管理主要是用于对行动台之信息进行解密，以便于进行信息分割与包装，进而改善分布式排程中继台之排程效益。不论是集中式密码管理或是分布式密码管理，对用户的管理仍然是统一由基地台控制。

数据传送与路由（Data Forwarding & Routing）

中继站之网络乃采用树状拓墣，每一个中继台只有一条通往基地台的路径。当一个中继台建立后，它会与附近讯号强度最强的基地台或者中继台建立联机，并进行网络进入的程序。待网络进入的程序完成后，基地台可以根据流量、讯号强度与干扰等，决定基地台与该中继台的路径。在IEEE 802.16中，路由的工作完全是由基地台与中继台来完成，用户入网或者进行换手时，会直接与附近讯号强度最强的基地台或中继台建立联机，并不牵涉到路由的程序。

在数据传送与路由建立上IEEE 802.16m中继站与IEEE 802.16j中继站的基本概念差距不大，主要差异在于IEEE 802.16m采用Station ID与Flow ID，分别作为行动台之索引与其收送联机之索引，有别于IEEE 802.16e/j仅利用CID为单一索引，故原先以CID为索引的媒介协议数据单元路由法，须经修改才能延伸到IEEE 802.16m上使用。

IEEE 802.16m元数据传送的路由方式目前若沿用IEEE 802.16j的技术预计有二类，第一类是以Station ID与Flow ID为索引的媒介协议数据单元路由法，第二类是以特定的排程信息单元（A-MAP）为索引的数据丛路由法。媒介协议数据单元路由法需要维护路由表来处理数据传送，而数据丛路由法则否；因此，媒介协议数据单元路由法可应用于集中式排程与分布式排程，而数据丛路由法仅可应用于集中式排程。

若媒介协议数据单元路由法在行动台和中继台都是固定且彼此通讯讯号变异不大的情况下，维护路由表的系统成本可以降到最低，效率较佳；然而，一旦行动台和中继台都是可移动，则除了大幅提升维护路由表的系统成本外，由重建路由的时间极可能超过既有联机的容许等待时间，数据丛路由法则不需路由表而直接以排程信息单元来指定路由就可以解决这个问题，但会增加排程讯息（A-MAP）的成本。

空间分工与协同合作（spatial diversity & cooperative diversity）

利用空间分工与协同合作，可以有效降低中继台彼此间的干扰、降低移动造成的路由重建问题、并利用空间分工的多样性来提升数据传输率。降低干扰方面，其采用方式为关闭某些群组内的中继台的传送，故不需以切割带宽区段法来达成；降低路由重建问题方面倾向采用数据丛法来达成；在者以区域服务方式摆放中继台、使用多收多发（MIMO）、多收单发（MISO）、单收多发（SIMO）、单收单发（SISO）等传输技术与配合协同合作式的排程算法来达成。

---作者任职于财团法人信息工业策进会新兴智能技术研究所---

参考数据：