第二章 背景知識介紹
2.1 IEEE 802.16e 架構
IEEE 802.16e無線網路主要分為Point-to-multipoint (PMP) 模式[如圖
2-1
]和Mesh模式[如圖2-2
]兩種模式。PMP模式為一個中控的Base Station (BS) 和多個Subscriber Station1 (SS)所成的系統。
PMP模式下，下載 (downlink) 是指從BS到SS的方向，而BS是此方向 唯一的傳送者。因此，做下載的動作時，不需要做任何的協調。而接收的 SS，會經由確認Connection identifier (CID) 後，將指定到自己CID、group ID及broadcast ID，資料或資訊收下並處理。上傳 (uplink) 是指SS到BS的 方向，在SS上傳資料前，必須要先得到BS的Grant後，依安排的時間，作 上傳的動作。
Mesh模式則沒有中控BS的機制。此模式下，資料可由SS直接傳送，
不用經過BS的中介。因此，SS本身亦有路由的功能。
1 在IEEE 802.16e標準中，BS可和SS或Moble Station (MS) 做Conncetion，本論文使用SS作為統稱。
圖 2-1 IEEE 802.16e 架構 (PMP 模式)
圖 2-2 IEEE 802.16e 架構 (Mesh 模式)
2.2 IEEE 802.16e 參考原型
IEEE 802.16e MAC protocol 層可區分為三個子層[如圖 2-3]，分別是 Service-Specific Convergence Sublayer (CS)[8]、MAC Common Part Sublayer (CPS)和 Physical Layer (PHY)，各子層有其專屬的任務，在此分 述如下:
CS：CS 主要是將外部或應用程式的資料，先做轉換及分類，並將分 類好的資料，關連到對應的 Service Flow Identifier (SFID) 和 CID。
MAC CPS：MAC CPS 提供了 MAC 核心功能，包含系統存取、頻寬 配置、連線建立和連線的維護。同時，提供認證、密鑰交換及加密的安全 層，也涵蓋在這子層中。
PHY：PHY定義了各個規格2，每個規格各自有其適用的頻率範圍及應 用。
各子層之間，溝通或傳送資料，是藉由 Service Access Point (SAP)；
Application 和 CS 的溝通是藉由 CS SAP；CS 和 MAC CPS 的溝通是 藉由 MAC SAP；MAC CPS 和 PHY 的溝通則是藉由 PHY SAP。
而又依據傳送的內容，可分為資料性 (Data Plane) 和控制性 (Control Plane)。
2IEEE 802.16支援WirelessMAN-SC、WirelessMAN-SCa、WirelessMAN-OFDM、WirelessMAN-OFDMA 四 種PHY規格。
圖 2-3 IEEE 802.16e protocol layer 表 2-1 OFDMA frame duration codes
2.3 OFDMA Frame架構 (TDD3)
PHY 利用 Frame 為單位，組出固定時間長度 (Frame Duration) 的資 料[如表 2-1]。OFDMA TDD frame format[如圖 2-4]是由 UL-Subframe 和 DL-Subframe 兩 個 Subframe 所 組 成 。 當 從 DL-Subframe 轉 為 UL-Subframe 時，中間夾雜 Transmit/Receive Transition Gap (TTG)，這 個 Gap 是讓 BS 有時間從傳輸轉為接收，而 SS 從接收轉為傳輸。當 UL-Subframe 轉為 DL-Subframe 時，中間夾雜 Receive/Transmit Transition Gap (RTG)，這個 Gap 剛好和 TTG 相反，它讓 BS 有時間從接收轉為傳輸，
而 SS 從傳輸轉為接收。
圖 2-4 OFDMA frame format
3 IEEE 802.16 支援TDD和Frequency Division Duplex or Duplexing (FDD) 兩種技術。
DL-Subframe 是由 BS 所組而成，其組成元件包含 Preamble、Frame Control Header (FCH)、DL-MAP、UL-MAP、DL bursts 等，茲分述如下：
(1) Preamble：這是一個固定的值，SS 利用這個 Preamble 來和 BS 做時間和頻率的同步。
(2) FCH：它包含目前 Frame 的資訊，像是 DL-MAP 的長度，DL-MAP repetition coding 等。
(3) DL-MAP：DL-MAP[如表 2-2]定義了下載的資訊，其中主要包含了 傳送這封包的 BS ID，與指定何時該由哪個 SS 接收下載的資訊的 DL-MAP Information element (IE)等。因為 DL-MAP 以 Broadcast 方式傳送，因此 SS 都會收到。
(4) UL-MAP：UL-MAP[如表 2-3]定義了上傳的資訊，其中主要定義了 有效的上傳開始時間 (Allocation Start Time)，及各個SS上傳配置 的時間 (UL-MAP_IE)，UL-MAP也是以廣播的方式傳送，因此SS 都會收到。
(5) DL burst：DL burst為BS所組而成，此為送到指定的SS之PDU集 合，接收端的SS根據DL-MAP中的DL-MAP_IE得知該何時起來收 屬於自己的burst。
表 2-2 DL-MAP message format
表 2-3 UL-MAP message format
UL-Subframe 是 由 SS 所 組 而 成 ， 其 組 成 元 件 包 含 Ranging Subchannel和UL burst，茲分述如下：
(1) Ranging Subchannel：這是一個保留用來送 Code Division Multiple Access (CDMA) code 的 subchannel，在 OFDMA 中，CDMA code 共有四組，分別是 initial-ranging codes、periodic-ranging codes、
bandwidth-request codes 和 handover-ranging codes。
(2) UL burst：UL burst 為 SS 所組而成，此為同一個 SS PDU 的集合，
發送端的 SS 根據 UL-MAP 中的 UL-MAP_IE 得知該在哪一段時間 有權發送 burst。
2.3.1 OFDMA Time Relevance of DL-MAP and UL-MAP (TDD)
在 DL-MAP 和 UL-MAP 中，Timing 資訊是相關聯的，DL-MAP 中所描 述的時間區間會指定在目前接收的 Frame 中，UL-MAP 中所描述的時間區 間會指定在下一個 Frame 中，[如圖 2-5]。DL subframe 和 UL subframe 不會相互覆蓋，且中間會有 TTG 及 RTG 做分隔。
資料送出。
圖 2-5 Timing of DL/UL MAP design
2.4 MAC PDU 格式
MAC PDU 格示如同圖 2-6 所示，每個 PDU 開頭先放固定六個 bytes 的 MAC header，接著可能放 PDU 的 Payload。如果有 PDU Payload 存在，
在 PDU Payload 內會存放零個或多個 extended subheaders，接著存放零 個或多個由 subheader 加上 Service Data Unit (SDU)的組合。
MAC PDU 可選擇是否要包含 Cyclic Redundancy Check (CRC)，但當 PHY layer 為 OFDMA 時，則強制要將 CRC 加入。
圖 2-6 MAC PDU 格式
圖 2-7 Generic MAC header format
圖 2-8 MAC signaling header type I format
2.4.1 MAC header 格式
MAC header 可分為大兩類，一類為有包含 Payload 的 Generic MAC header (GMH)[如圖 2-7]，另一類為不包含 Payload 的 header，而不帶 Payload 的 MAC header 又為兩類，分別稱為 MAC signaling header type I[如圖 2-8]，及 MAC signaling header type II[如圖 2-9]茲分述如下:
Generic MAC header: 在此 header 之後，會帶 MAC 管理訊息或是 CS 層傳下的資料，Generic MAC header 各欄位分述如下：
(1) HT：Header Type，在此該值設定為 0。
(2) EC：Encryption Control，設定 Payload 是否要加密。
(3) Type： 指示 PDU 中是否有 subheaders 或 special Payload。在此 欄位中，每個 bit 代表的含意如表 2- 4 所示。
(4) ESF：Extended Subheader Field，設定 GMH 之後是否有跟隨 extended subheader。
(5) CI：CRC Indicate，表示 PDU 中是否包含 CRC。
(6) EKS ： Encryption Key Sequence ， 表 示 用 來 加 密 的 Traffic Encryption Key(TEK)和 initialization vector 的 index。
(7) Len： 用以表示整個 PDU 的長度，包含 GMH、Payload 及 CRC，
但不包含 Preamble。
(8) CID ： Connection Identifier ， 指 定 收 此 PDU 的 Connection Identifier 。
(9) HCS：Header Check Sequence，用來做 Header 錯誤偵測。
圖 2-9 MAC signaling header type II format
表 2-4 GMH type encodings
Type bit Value
#5 Mesh subheader
#4 ARQ FeedBack Payload
#3 Indicates whether the present Packing or Fragmentation subheaders is Extended
#2 Fragmentation subheader
#1 Packing subheader
#0 Downlink：FAST-FEEDBACK Allocation Uplink：Grant management subheader
MAC signaling header type I：這是不會帶 Payload 的 header，他的 欄位中，HT、EC、CID 及 HCS 和 GMH 內的欄位定義相同，其他欄位定 義如下
(1) Type：Type 欄位有做更動，各個值有其代表的意義，如表 2-5 所 示。
(2) Header Content：Header Content 會因不同的 Type 欄位值，而有 不同的組成欄位。
MAC signaling header type II：這和 MAC signaling header type I 相 似，都是不會帶 Payload 的 header，且固定的欄位更為精簡。
(1) Type：此欄位只有一個 bit，值永遠都是 0，表示這是 feedback header。
(2) CII：CID inclusion indication，表示 Feedback content 是否含有 CID 欄位
(3) Feedback Type：此用於表示 Feedback 的形式，[如表 2-6] 。
表 2-5 Type field encodings for MAC signaling header Type I Type field MAC header type
000 Bandwidth Request (BR) incremental 001 BR aggregate
010 PHY channel report
011 BR with UL Transmitter (Tx) Power report
100 BR and Carrier-to-interference-and-noise Ratio (CINR) report
101 BR with UL sleep control 110 Sequence Number (SN) report
111 Channel Quality Information Channel (CQICH) allocation request
表2-6 Feedback type and feedback content Feedback Type Feedback Contents
0b0000 CQI and MIMO feedback
0b0001 DL average Carrier-to-interference-and-noise Ratio (CINR)
0b0010 Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna feedback
0b0011 Preferred DL channel DIUC feedback 0b0100 UL transmission power
0b0101 PHY channel feedback
0b0110 CQIs of DL multiple AMC bands
0b0111 The recommended number of frames for which the short-term precoding feedback can be used
0b1000 Multiple types of feedback 0b1001 Long-term precoding feedback
0b1010 Combined DL average CINR of Active BSs 0b1011 MIMO mode channel condition feedback 0b1100 CINR feedback
0b1101 Close-loop MIMO feedback
2.4.2 MAC subheader 和 special payloads
IEEE 802.16e 有六個型態的 subheaders，經分類，可歸為 per-PDU subheader 和 per-SDU subheader，per-PDU subheader 有 extended subheader、Mesh subheader、Fragmentation subheader、Fast-feedback allocation subheader 和 Grant Managements subheader ， per-SDU subheader 的有 Packing subheader。他們出現的先後順序為 per-PDU 先
於 per-SDU，而 per-PDU 中，優先權最高為為 extended subheader，其 後 依 序 在 為 Mesh subheader 、 Grant Managements subheader 、 Fragmentation subheader、和 Fast-feedback allocation。
每個 subheader 有個別的意義，茲分述如下：
(1) Fragmentation subheader[9]： 此用來表示這個 SDU 是否有被 fragment，並有欄位用於指出 Block Sequence Number (BSN)或 Fragment Sequence Number (FSN)。
(2) Grant Management subheader： 此用來向 BS 要求頻寬，並有調 整 frame latency 的功能。
(3) Packing subheader[9]：IEEE 802.16e 能夠組合多個 SDU 到一個 PDU 中，Packing subheader 表示這個 SDU 的 BSN 或 FSN 。 (4) Mesh subheader： 如果使用 Mesh 模式，Mesh subheader 就會
出現。
(5) FAST-feedback allocation subheader： 用來指定 FAST-feedback allocation 的 offset 及 feedback type。
(6) Extended subheader： 此可分為上傳和下載兩類。下載包含 SDU_SN extended subheader 、 DL sleep control extended subheader、Feedback request extended subheader、SN request extended subheader、PDU SN extended subheader。上傳包含 MIMO mode feedback extended subheader 、 UL Tx Power Report extended subheader 、 Mini-Feedback extended subheader、PDU SN extended subheader。
2.5 頻寬要求和配置機制
IEEE 802.16e 用來要求上傳頻寬的機制有三種，分別為 Contention，
Polling 和 Unsolicited Grant。當 SS 剛剛加入網路，或是沒有被配置到頻 寬時，SS 必須使用 Contention 的方式，在 Ranging Subchannel 中放置 一個 CDMA bandwidth-request code，用來向 BS 要取頻寬，並用此要來 的 頻 寬 發 送 Bandwidth Request。因 為 Ranging Subchannle 是 用 Contention 的方式要求頻寬，因此頻寬的要求不一定會成功。
當 SS 的 連 線 型 態 為 real-time Polling Service (rtPS)[10] 或 是 non-real-time Polling Service (nrtPS) 時，BS 會依據連線建立時所定的參 數，週期的對這些 Connections 做 Polling 的動作，讓這些 Connections 有足夠的頻寬來發送 Bandwidth Request。
當 SS 的連線型態為 Unsolicited Grant Service (UGS)或 extended real-time Polling Service (ertPS)[11][12]，BS 會依據連線建立時所定的參 數，週期性的給這些 Connections 約定的頻寬。當 UGS connection 的 queue 資料過多時，可藉 Grant subheader 的 Slip Indicate (SI) 欄位向 BS 要求額外的頻寬。
頻寬要求和配置如圖 2-10 所示，當 SS 完全沒有頻寬可用時，SS 會利 用 Contention 的機制，發送 CDMA bandwidth-request code，向 BS 要求 頻 寬 ， 用 以 送 Bandwidth Request 。 如 果 BS 有 收 到 ， 會 回 應 CDMA_Allocation_IE，並於此 IE 中分配頻寬給 SS。
SS 要發送 Bandwidth Request 的頻寬，除了從 CDMA_ Allocation _IE 得到外，SS 亦可從 Polling 中得到。BS 和 SS 在建立 rtPS 及 nrtPS 連線 時，會協調出 Connection 相關的參數，BS 依據這些參數，定期會 Polling SS，藉由 Polling 機制，BS 提供 SS 做 Bandwidth Request 所需的頻寬。
SS 除了可發 Bandwidth Request 向 BS 要求頻寬外，若 SS 有 UGS
或 ertPS 的 Connection 存在，BS 也會主動的配置頻寬給 SS。
由圖 2-10 可看出，若是由 Contention 機制送資料，最快要經過五個 frames 的時間才能將資料送出，若是由 Polling 機制送資料，最快要經過 三個 frames 的時間才能將資料送出，若是由 BS 主動 Grant，SS 在資料進 Queue 後，最快可馬上就將資料送出。
圖 2-10 頻寬要求與配置流程圖
第三章 系統架構與設計
3.1 系統架構
圖 3-1 系統架構
系統架構[如圖 3-1][13]，共分為 Application、CS、Queue、PDU Constructor、Bandwidth Request (BR)、Scheduler (SCH.)和 Air Interface 等七個模組，各個模組有其負責的任務。
(1) Application： 此模組會產生資料，經由和其他模組的配合，將資料 傳送出去。
(2) CS： Converagence sublayer 此模組會接收從 Application 模組傳 送下來的資料，並依據 Classify rules，將收到的 SDU 分類並轉換 到對應的 IEEE 802.16e Connection。
(3) Queue：本模組會依不同的 service type (UGS、ertPS、rtPS、nrtPS 和 BE) 及 QoS 參數，建立多組 Connection Queues，用來接收 CS 傳送下來的資料 SDU 或是 SS 自身產生的 Management SDU。並且，當有新的 SDU 進入 Queue 時，通知 BR 模組。
(4) BR：當 Queue 通知 BR 模組有新的 SDU 進入，或是 SS 需要額外 的頻寬時，BR 模組會組〞Incremental〞Bandwidth Request 的 header 或 PiggyBack 的 subheader，用以向 BS 要求頻寬。並依 IEEE 802.16e 規定，SS 定期要對 BS 發送〞Aggregate〞Bandwidth Request 的 Header，用來做 BS 和 SS Bandwidth Request 的同 步。
(5) SCH.：當 SS 被配置到頻寬後，SCH.模組依各 Connection Queue 的 QoS[14]參數，配合 SS 被分配到的頻寬，組出即將送出的資料 的 PDU description[15]。
(6) PDU Constructor：PDU Constructor 依據 SCH. 模組完成的 PDU description，組出最後要送出的 PDU[15]。
(7) Air Interface：此模組分為 Transmitter (Tx) 和 Receiver (Rx) 兩部 分,Tx 主要是將 PDUs 組成 Burst，並以 Air 為媒介，將組好的 Burst 依 UL-MAP_IE 中指示的時間送出；Rx 主要是將 Frame 收進來，
分析並過濾完所有和 SS 相關的資訊後，將他們往 MAC layer 上
分析並過濾完所有和 SS 相關的資訊後，將他們往 MAC layer 上