前言 - B3G接取網路之無線資源管理技術-子計畫三：B3G OFDM多重接收系統設計及無線資源管理(II)

目前我們使用的蜂窩式移動電話（cellular telephone）是數位式的的第二代

（second generation， 2G）系統。隨著行動通訊商品化後，行動通訊的服務和人類生活息息相關，人們將要求隨時隨地都可上網。行動通訊的發展便是朝著加強行動數據通訊這方向走。隨著2.5G 及 3G 行動通訊的發展，無線網路、行動網路和網際網路的結合將會更為緊密。

802.16 和 WiMAX 即在此條件下受到越來越多的關注。802.16 標準是由 IEEE 相關工作組製定的物理層和MAC 層標準。此標準採用了最新的調製技術，基於 IP 網路及開放式網路模式，具備的全球一致性，以及低廉的佈設和營運成本等優勢，業界預期WiMAX 將成為 3G 的強力競爭者，旨在首先解決寬帶無線互聯的基礎上，逐步實現無線VoIP 音頻業務，從而取代 3G 而與 2G/2.5G 長期並存。

1-1 行動通訊技術發展簡史

第一代行動通訊在1980 年代開始商業化，訊號是類比處理，並採用電路交換的方式來提供語音方面的服務，但其缺少了提供使用者在不同網路間漫遊服務的能力。主要的第一代行動電話網路有三種：北美制式行動電話系統（Advanced Mobile Phone System, AMPS ）、英國完全抓取通訊服務（ Total Access Communication Services, TACS）、北歐行動電話（Nordic Mobile Telephone）。

第二代（2G）或 2.5 代（2.5G）的行動電話系統在１９９０年代早期出現，

採用類比訊號處理的方式並且使用了一些新的傳輸技巧，提升了系統容量、頻譜使用效能、增強語音服務的品質及減少功率損耗等優點，除了提供語音方面的服務外，還多加了行動資料和行動網路的功能。主要的第二代行動電話網路有三種：環球行動通訊系統（Global System for Mobile Communication, GSM）、北美數字窩蜂制式（Digital Advanced Mobile Phone Services, D-AMPS）即 IS-136 標準及分碼多重接取（Code Division Multiple Access, CDMA） IS-95A 標準。IS 標準是美國 Electronic Industries Association and Telecommunication Industry Association（EIA/TIA）的通訊標準。2.5G 的行動電話標準有二種：General Packet Radio Service(GPRS)、Enhanced Data Rates for Global GSM Evolution (EDGE), 2.5G 提供比 2G 更高的系統容量及使用者的資料率，但仍沒有達到 3G 所承諾的標準。

第三代行動電話系統規格的研發，是早從1985 年開始，由 ITU-T 提出、在 2GHz 頻段工作的行動通訊系統規格，最初的名稱為 Future Public Land Mobile Telephone System（FPLMTS）。其後這個系統正式更名為 International Mobile Telephone 2000 （IMT-2000），同時 ITU 也為了這個第三代行動通訊傳輸技術定了一個傳輸的速度的指標：

1. 在快速移動環境，最高數據傳輸速率需達到144Kbit/s；

2. 在室外、室內或是步行環境，最高數據傳輸速率需達到384Kbit/s；

3. 室內靜止的環境，最高數據傳輸速率需達到2Mbit/s。

目前台灣地區已踏入第三代行動通訊（3G）的時代，估計在一兩年後便可投入服務。第三代行動通訊提供了行動通訊商品可以用較高速率連上網際網路，

用戶也可以隨時在網際網路下載資訊、娛樂服務、網上遊戲及進行電子商務活動等，並可以透過第三代行動通訊商品瀏覽網站，收發電郵，網上購物，處理財務等。還有的是當用戶身處海外時，仍然可以經由通訊商品處理投資，甚至可以查看當地的地圖、觀光景境點等。

雖然目前行動電信業者耗資巨大的 3G 網路即將要步上軌道，並且開始營運，但是之前在德國漢諾威舉行的CeBit 展覽會上，計算機行業又開始推展另外一種功能更強大的無線技術-WiMAX，3G 技術的前景有可能再次受到影響[1]。

3G 網路的資料傳輸速率雖比目前的行動電話網路快，卻比 WiMax 慢 30 倍。3G 網路的每一無線電遮罩（radio mask）的涵蓋面積比 WiMax 小 10 倍，且 WiMax 頻譜可免費使用，業者所需的基地台數目也比較少。

WiMAX 的另一個名字是 802.16，可以在授權的 3.5GHz 和不用授權的 5GHz 頻帶上運作，並支援非視線(non-line-of-sight)通訊功能。具備適應性調變和編碼性能，WiMax 宣稱能覆蓋最遠達 50 公里的範圍，並提供 75Mbps 的資料傳輸率。

再加上，它還具備了網際網路協定(IP)架構和先進的 QoS 機制，因此 WiMax 贏得了一些業者的強力支援與看好。 WiMax 也被視為固網電信公司反擊行動電信業者吞蝕語音通話市占率的武器，還沒有無線網路的電信業者，可以偏低的成本搭建行動網路，運用成本已攤提完畢的固網網路把資料無線傳送到網際網路，開始把已流失的營收從無線電信業者的手中奪回。

WiMax 將進一步釋放筆記型電腦等行動裝置的應用範圍。今日風行的 Wi-Fi 無線技術，也就是 802.11a/b/g 等，屬於「區域」型無線網路技術，傳輸距離約數十至數百公尺，部分晶片經過特殊設計可達 1000 公尺，Wi-Fi 傳輸速率為 11Mbps-54Mbps。

總而言之，相較於３G 系統及 WLAN，WiMax 的優勢如下[2]:

1. 更遠的傳輸距離：WiMax 能實現 50 公里的無線信號傳輸距離，此為無線區域網路所望塵莫及的 ; 在網路覆蓋區域上，WiMAX 覆蓋範圍為一個 3G 基地台覆蓋範圍的十倍，只要少數基地台建設就能實現全域覆蓋，使得無線網路應用的範圍大大擴展。

2. 更高速的寬帶接入：WiMax 所能提供的最高接入速度是 70M，為 3G 所能提供的寬帶速度的30 倍。對無線網路來說，這的確是一個驚人的進步。

3. 優良的最後一公里網路(last mile)接入服務：作為一種無線區域網路技術，它可以將Wi－Fi 熱點連接到互聯網，也可作為 DSL 等有線接入模式的無線擴展，實現最後一公里的寬帶接入。

4. 多媒體通訊服務：由於 WiMax 較之 Wi－Fi 具有更好的可擴展性和安全性，

從而能夠實現電信級的多媒體通信服務。

對於固定電話業者來說，他們可以建立一個基於 WiMAX 技術的低成本網路，並透過他們的固定電話網路把無線網路與互聯網相連，從而可以逐步從行動通訊業者手中奪回部分收入。

由以上所述，我們可以知道 WiMax 技術不僅將帶動寬頻網路無線化，且 Wi-Fi、WiMax 等技術將互相結合朝向無縫（Seamless）式的無線通訊環境發展。

1-2 以 IP 為基礎之無線網路中快速換手技術發展現況

硬式換手(Hard Handoff)技術普遍被應用在許多商用化的無線通訊網路中，

其特點在於使用者必須中斷現有的連線後才能與新的基地台建立連線，在換手過程中，使用者無法接收資料而造成服務的中斷。為了改善硬式換手技術的缺點，

軟式換手(Soft Handoff)技術允許使用者同時和一個以上的基地台建立連線且傳收資料，因此在換手過程中，使用者能從多個建立連線的基地台獲取資料，以確保在換手過程中，服務不被中斷[3]。就系統容量觀點而言，軟式換手技術可以使訊號獲得組合增益(combing gain)，使用者在進行上鏈(uplink)傳輸時可降低傳送功率而減少系統整體之上鏈干擾強度，提升上鏈系統容量; 但在下鏈(downlink) 時，因為同時有一個以上的基地台傳送訊號給使用者，造成系統整體之下鏈干擾強度上升，而減少下鏈系統容量[4]。

由於無線通訊的標準不斷增加，未來的無線通訊系統可能建構在多個既有的系統之上，為了支援各種異質性網路(heterogeneous network) 的互聯性 (internetworking)，下一代無線接取網路將朝向完全以網際網路協定(Internet Protocol, IP)為基礎 [5]，而如何在異質性網路中執行換手(或稱垂直換手，Vertical Handoff)，成為目前備受關注的議題。

有別於以往具有專屬核心網路的系統，以IP 為基礎之無線接取系統在實現換手技術時，面臨更大的挑戰。由於換手至新的基地台時，必須要重新建立點對點(end-to-end)的連線，並且重新取得新的 IP 位址，使得硬式換手流程所需的處理時間可能更長，在[6]提到在 IEEE 802.11b 無線區域網路中，使用 SIP 換手方式所造成的服務中斷時間可長達40s 之久,或是採用 Mobile IP 的方法[7]，但單由網路層所造成的時間延遲就已達到 0.1~1 秒，造成使用者無法接受的服務品質;

將部分換手流程提前執行的前置型(Proactive)換手技術預期將可以有效的縮短服務中斷的時間，此種觀念已在WLAN 系統中被提出使用[7]。而在以 IP 為基礎之系統中，軟式換手技術的實現也較為困難，因為不同基地台傳送給使用者的資料必須進行同步，以利使用者自不同連線收到相同的資料時能獲取組合增益; 但來自不同基地台的資料不一定會通過網路中特定的路由器(router), 因此如何獲取上鏈的組合增益成為另一個議題。

換手技術除了藉由妥善的流程設計以確保服務不被中斷外，也被認為是一種無線資源管理(Radio Resource Management)的重要工具。系統可依據通道品質的量測來作為換手啟動(initiation)的根據，如此使用者可維持較佳的通道品質以增加資料傳輸率或減少傳輸功率的消耗，進而提升系統容量[8]; 此外，系統也可根據不同基地台間負載的情況來決定是若要執行換手，以達到系統負載平衡(load balancing)的目的[4]。

1-3 研究動機

在蜂巢式系統中，由於使用者的移動性，使得換手會被經常性的執行，為了達到滿足即時性服務對中斷時間的要求，軟式換手技術被廣為使用，但目前在以IP 為基礎之網路架構上實現軟式換手技術仍有其困難點，因此，在本研究中，

我們將以802.16 系統為例子，提出一套解決方法。802.16 系統架構在 IP 為基礎之 OFDMA 系統之上，為目前最熱門的話題，並從固定式的 802.16 系統發展出一套支援行動裝置的版本 802.16e。而對於有行動性的使用者，如何確保在其移動過程中滿足即時性服務對中斷時間的要求，成為一個重要的議題，因此本文以 IEEE 802.16e 為參考依據及 OFDM 技術的理論認知，發展出一套前置式基地台切換技術的理論並配合模擬的結果，提供未來在此系統中研究換手技術問題的一個研究基礎。本文將在各章節分別說明前置式基地台切換技術的設計理念及理論

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