無線網路自發展之初，即遵循以基地台直接連線使用者的架構提供接取服務，這個架構設計上固然具有容易管理的優點，然而由於系統的服務範圍，完全取決於系統營運商佈建基地台的覆蓋率，換言之營運商必須大量的佈建基地台，才能夠服務更多的使用者，但建設所需要的土地空間、網路佈線與施工時間等因素，使得建置成本高居不下。因此，為解決現階段瓶頸，發展能大幅強化網路佈建的速度與廣度之中繼台技術，便成了輔助基地台佈建不足的重要決勝的關鍵。

資策會網路多媒體研究所自2006年起，即於IEEE 802.16 Relay TG積極進行國際標準提案，同時掌握技術先機並與國際大廠建立良好的夥伴關係，發展至今成果豐碩，不但厚實產業的整體價值，亦累積寶貴的資產。以標準制定為例，不但為台灣搶得發展WiMAX中繼台產品之先機，更於2008年初領先推出全球WiMAX中繼台之實驗雛形。此外，藉由參與IEEE 802.16m TG標準制定活動，更期全方位掌握IMT-Advanced中繼台的技術發展趨勢，有效爭取4G中繼台市場先機。

IEEE 802.16中繼站之簡介

《圖一　IEEE 802.16j使用形態之ㄧ》 資料來源 IEEE 80216j-06/015

利用中繼台技術來輔助基地台進行網路建置，有延伸覆蓋範圍與提高資料傳輸率兩個優點。首先，在延伸覆蓋範圍方面，如圖一所示，單個基地台可以透過搭配多個中繼台的方式，來彌補基地台訊號無法涵蓋的地方，如此一來，該基地台的服務範圍將可大幅延伸。在此概念下常見的情況有二，一者為因地形地貌阻隔了電波傳遞，基地台的訊號無法遍及每一個角落，因此建置中繼台來解決通訊死角，該情況在都市地區較為常見。再者則是因當地用戶數量較少未達經濟規模，由中繼台代替基地台的作法，這不但可確保通訊品質，另一方面更可有效降低佈建成本。

在提高資料傳輸率方面，行動裝置使用時會根據其所偵測到的訊號強弱「訊噪比（SNR）」，選擇要直接向基地台或者是透過中繼台來建立連線。在實務上基地台與中繼台之間，一般都會建立直視的無線通道來確保較高的訊噪比，而因中繼台與行動台之間的距離較近，能確保較高的訊噪比之故，中繼台便成為用來提昇使用者的資料傳輸率，進一步提昇整個無線網路系統的資料傳輸率的重要技術。

提高資料傳輸率的效應對身處室內的使用者效果最為顯著，如圖二所示。然而，為了符爐合量產與成本效益法則，相對的挑戰也隨之而來，特別是中繼台的設計簡單化、功能整合化，例如將無線網路功能如網路允入、路由等，透過基地台做有系統的統籌管理，成為必然的趨勢。另一方面，原來用於基地台直接連線架構中的安全性設計，也需要重新檢討設計，再者，佈建大量的中繼台可能會造成嚴重的訊號干擾問題，使得實際可用的資料傳輸率大幅下降，反而達不到原先佈建的目的，故在規劃中繼台建置時，需要考慮避免干擾問題。

《圖二　IEEE 802.16j使用形態之二》 資料來源 IEEE 80216j-06/015

在IEEE 802.16j的規格訂定中，中繼台因能增進網路效能及涵蓋率，已獲許多國際大廠的重視及投入。於WiMAX2也就是IEEE 802.16m的發展上，有鑒於LTE Advanced亦將中繼台的技術納入主要發展的項目之ㄧ， 許多國際大廠亦於IEEE 802.16m Working Group的大會成立IEEE 802.16m Relay Rapporteur Group，負責以既有的IEEE 802.16j Draft Standard標準為基礎，發展適合IEEE 802.16m的中繼台規範。並將中繼台的規格需求加入IEEE 802.16m 之 系統規格文件（SRD）、評估方式文件（EMD）、系統架構描述文件（SDD）之中，以搭配IEEE 802.16m與IMT Advanced的發展時成，如圖三所示。

《圖三　IEEE 802.16m標準發展時程》 資料來源 IEEE 802.16m WG

IEEE 802.16中繼站之技術議題

本文將從IEEE 802.16j中繼台開始介紹，並與IEEE 802.16m之中繼台作比較。在標準規格的設計上，IEEE 802.16j為了避免更動現有的IEEE 802.16e-2005的手機，讓現有的手機也能在有中繼台的網路中使用，因此需要考慮許多技術問題。然而IEEE 802.16m的中繼台因其與基地台/移動台一起設計故無此限制，也讓中繼台的標準設計上有更多發揮的空間。本文也將著重於下列中繼台技術的說明：中繼台的模式、訊框結構、中繼站狀態流程圖與網路進入、排程與密碼管理?、資料傳送與路由以及空間分工與協同合作等方向。

中繼台的模式（Relaying mode）

IEEE 802.16j中繼台的模式，可依據是否廣播框架前導訊號、下行與上行排程訊息，分成不廣播框架資訊的穿透式中繼台與會廣播框架資訊之非穿透式中繼台兩種，如圖四所示。由於手機會根據廣播框架資訊來辨識基地台並與其同步，故使用穿透式中繼台的優點在於其系統複雜度較小，而使用非穿透式中繼台的好處在於可以支援多躍轉傳的設計。因此，若是要提高使用者的資料率與系統容量，穿透式中繼台會是較好的選擇；若是要擴大基地台的服務範圍，消弭通訊死角，則必須使用非穿透式中繼台。IEEE 802.16m中繼台的設計基本上除了依據IEEE 802.16j中繼台的模式作分類外，也預計加入16m系統所特有的多頻帶技術，如圖五所示。由於該技術於標準上仍在討論中，故在此並未多作著墨。

《圖四　16j/16m中繼台（Relay Station）的型式》 資料來源 IEEE C80216j-06/132

《圖五　16m中繼台（Relay Station）的型式》 資料來源C80216m-09_0389

訊框架構（Frame Structure）

圖六為IEEE 802.16j標準中所定義之二躍式穿透式中繼傳輸技術之無線通訊系統示意圖，該圖包含基地台框架結構及中繼台框架結構。其框架結構又可依據資料傳輸的方向區分為下行子框架以及上行子框架。於基地台框架結構中之下行子框架可分為行動台及中繼台下行區與穿透式下行區，其上行子框架可分為行動台上行區、以及中繼台上行區。於穿透式中繼台框架結構中之下行子框架可分為中繼台接收模式之下行區、與穿透式下行區，其上行子框架可分為行動台上行區，以及中繼台傳送模式之上行區。基地台透過二躍式（2-hop）中繼系統之資料傳輸，乃利用其行動台及中繼台下行區將行動台之資料先行傳送給中繼台，中繼台再利用其穿透式下行區將資料轉傳至行動台。於上行部份行動台在中繼台之行動台上行區上傳資料後，中繼台隨即利用其中繼台傳送模式之上行區將資料轉送給基地台。

《圖六　二躍式穿透式中繼台框架結構》 資料來源 IEEE 802.16j/D9

圖七為IEEE 802.16j標準所定義之二躍式非穿透同時收送式中繼傳輸技術標準之無線通訊系統示意圖，其係包含基地台框架結構及中繼台框架結構。基地台框架結構又可依據資料傳輸的方向區分為下行子框架以及上行子框架。於中繼台框架結構中可分為主要頻帶框架結構與次要頻帶框架結構，其中主要頻帶框架結構之中繼台傳輸方式如同行動台一般與基地台進行通訊；而次要頻帶框架結構之中繼台傳輸方式則如同基地台框架結構可區分為下行子框架以及上行子框架。基地台透過二躍式中繼系統之資料傳輸，乃利用其主要頻帶框架結構將行動台之資料先行傳送給中繼台，中繼台再利用其次要頻帶框架結構將資料轉傳至行動台。於上行部份行動台在次要頻帶框架結構上傳資料後，中繼台隨即利用其主要頻帶框架結構將資料轉送給基地台。

《圖七　二躍式同時收送非穿透式中繼台框架結構》 資料來源 IEEE C802.16j-08/142r3

IEEE 802.16m的基地台訊框結構有別於IEEE 802.16e的訊框結構乃是以八個子框架來構成一個訊框結構。故IEEE 802.16m的中繼站亦是以八個子框架來構成訊框結構，其除了一般之下行子框架與上行子框架之外，還包含傳送子框架與接收子框架。下行子框架用於傳送資料給其下服務之中繼站與行動站。上行子框架則用於接收其下服務之中繼站與行動站的資料。傳送子框架用於傳送下行資料給其下服務之中繼站與行動站，亦可同時傳送上行資料給其上之基地站與中繼站。接收子框架則用於接收其下服務之中繼站與行動站的上行資料亦或接收其上之基地站與中繼站的下行資料，如圖八所示。

《圖八　IEEE 802.16m中繼站之訊框結構》

中繼站狀態流程圖與網路允入（Relay Station State Diagram & Network Entry）

中繼台允入網路，基本上是依據行動台允入網路的方式來進行，但因中繼台僅包含PHY與MAC層其會略過IP層相關之程序。為了降低中繼台之間的相互干擾，中繼台於進入網路時會先掃描附近基地台或中繼台的訊號強度，並回報給基地台。圖九為IEEE802.16m中繼站狀態流程圖，其包含三種狀態：初始化狀態、連結狀態與運轉狀態。

《圖九　IEEE802.16m中繼站狀態流程圖》 資料來源 IEEE C80216m-09/0388

圖九為初始化狀態流程圖，於初始化狀態時，中繼站將尋找基地站之同步信號，並與同步信號同步後將透過廣播訊號擷取系統資訊。取得廣播訊號之後，中繼站將進入連結狀態。同時系統將為中繼站選定將最適當的網路拓墣。

《圖十　初始化狀態流程圖》 資料來源 IEEE C80216m-09/0388

圖十一為連結狀態流程圖，於連結狀態時，中繼站將與其連接的基地站進行網路允入之程序。其包含測距與上行傳輸同步、預先認證與基本能力溝通、認證授權與取得密碼、註冊、鄰近基台量測訊號回報與基台選擇以及中繼站運轉參數設定之程序。在完成網路允入之程序後，中繼站將進入運轉狀態。

《圖十一　連結狀態流程圖》 資料來源 IEEE C80216m-09/0388

中繼站之運轉狀態包含運行模式與鄰近訊號量測模式。於運行模式下，中繼站將提供服務其下之行動站。於鄰近訊號量測模式下，中繼站將量測其鄰近中繼站之訊號干擾情況，以利系統調整其系統參數，進而改善服務品質。

《圖十二　運轉狀態流程圖》 資料來源 IEEE C80216m-09/0388

排程與密碼管理（Scheduling and Security）

IEEE802.16j與IEEE802.16m中繼台的排程分為集中式排程與分散式排程兩種。顧名思義，集中式排程是由基地台統一進行排程；而分散式排程則是基地台與中繼台分別對自己負責的使用者進行排程。其中IEEE802.16j的透通性中繼台由於不會發射自己的排程資訊單元，因此不適用分散式排程，但不論是集中式排程或是分散式排程，對使用者的管理仍然是統一由基地台控制。

　　中繼台的加密性分為集中式密碼管理與分散式密碼管理兩種。顧名思義，集中式密碼管理是由基地台統一進行與行動台之間資料收送的加密/解密（encrypt/decrypt）管理；而分散式密碼管理則是基地台與中繼台分別對自己負責的使用者進行行動台之加密解密管理。要注意的是，分散式密碼管理主要是用於對行動台之資訊進行解密，以便於進行資訊分割與包裝，進而改善分散式排程中繼台之排程效益。不論是集中式密碼管理或是分散式密碼管理，對使用者的管理仍然是統一由基地台控制。

資料傳送與路由（Data Forwarding & Routing）

中繼站之網路乃採用樹狀拓墣，每一個中繼台只有一條通往基地台的路徑。當一個中繼台建立後，它會與附近訊號強度最強的基地台或者中繼台建立連線，並進行網路進入的程序。待網路進入的程序完成後，基地台可以根據流量、訊號強度與干擾等，決定基地台與該中繼台的路徑。在IEEE 802.16中，路由的工作完全是由基地台與中繼台來完成，使用者入網或者進行換手時，會直接與附近訊號強度最強的基地台或中繼台建立連線，並不牽涉到路由的程序。

在資料傳送與路由建立上IEEE 802.16m中繼站與IEEE 802.16j中繼站的基本概念差距不大，主要差異在於IEEE 802.16m採用Station ID與Flow ID，分別作為行動台之索引與其收送連線之索引，有別於IEEE 802.16e/j僅利用CID為單一索引，故原先以CID為索引的媒介協定資料單元路由法，須經修改才能延伸到IEEE 802.16m上使用。

IEEE 802.16m中繼資料傳送的路由方式目前若沿用IEEE 802.16j的技術預計有二類，第一類是以Station ID與Flow ID為索引的媒介協定資料單元路由法，第二類是以特定的排程資訊單元（A-MAP）為索引的資料叢路由法。媒介協定資料單元路由法需要維護路由表來處理資料傳送，而資料叢路由法則否；因此，媒介協定資料單元路由法可應用於集中式排程與分散式排程，而資料叢路由法僅可應用於集中式排程。

若媒介協定資料單元路由法在行動台和中繼台都是固定且彼此通訊訊號變異不大的情況下，維護路由表的系統成本可以降到最低，效率較佳；然而，一旦行動台和中繼台都是可移動，則除了大幅提升維護路由表的系統成本外，由重建路由的時間極可能超過既有連線的容許等待時間，資料叢路由法則不需路由表而直接以排程資訊單元來指定路由就可以解決這個問題，但會增加排程訊息（A-MAP）的成本。

空間分工與協同合作（spatial diversity & cooperative diversity）

利用空間分工與協同合作，可以有效降低中繼台彼此間的干擾、降低移動造成的路由重建問題、並利用空間分工的多樣性來提升資料傳輸率。降低干擾方面，其採用方式為關閉某些群組內的中繼台的傳送，故不需以切割頻寬區段法來達成；降低路由重建問題方面傾向採用資料叢法來達成；在者以區域服務方式擺放中繼台、使用多收多發（MIMO）、多收單發（MISO）、單收多發（SIMO）、單收單發（SISO）等傳輸技術與配合協同合作式的排程演算法來達成。

---作者任職於財團法人資訊工業策進會新興智慧技術研究所---

參考資料：