本章會簡單介紹在此論文中會使用到的一些行動通訊系統之技術，主要會包 含了細胞扇形區域化、中繼站輔助之無線通訊系統。
2-1 細胞扇形區域化 (Sectoring)
行動通訊系統為了服務廣大區域的使用者，一般會將所要服務的區域分成一 個一個六角形的細胞(cell)。在每個細胞中佈放一個基地台來服務細胞中的使用 者，由於形狀類似蜂巢所以又稱之為蜂巢式行動通訊系統。蜂巢式行動通訊系統 可以避免只有單一基地台時所需的巨大傳送功率，同時也藉由允許不同的細胞間 使用相同的頻帶而能提高頻率的使用效率。
由於允許細胞間使用相同的頻帶，所以使用相同頻帶的細胞們會對彼此造成 干擾。因此為了降低細胞間的互相干擾，通常會將鄰近的多個細胞組成一個群 (cluster)。組成群的細胞個數以群體規模(cluster size)稱之。每個群會使用完所有 系統擁有的頻帶，而群中的細胞彼此會使用不同的頻率來降低同頻干擾
(co-channel interference)。蜂巢式通訊系統就會以群為基礎，來作出適當的細胞 規劃，將每個細胞所用的頻率事先的決定好。
圖2-1-1 多個細胞組成群(左)，利用群作細胞規劃(右)，不同顏色代表不同的頻率
想要提高系統容量(cell capacity)以服務更多的使用者，系統必須要更有效率的 使用頻譜，所以必須讓群體規模越小越好。但是，當群體規模越小時，則使用者 所感受到的同頻干擾便會提高造成鏈路品質(link quality)的下降而影響到通訊的 品質。
細胞扇形區域化(sectoring)是一個利用多個指向性天線(directional antenna)取 代基地台原本的全向性天線(omni-directional antenna)，每個指向性天線負責傳送 信號給細胞內不同角度的區域。較常見的細胞扇形區域化有 3-sector 及 6-sector 兩種各需要3 和 6 跟指向性天線，而每根天線分別服務 120 度及 60 度的細胞區 域。
圖 2-1-2 常見之 3-sector(左) 和 6-sector(右)細胞扇形區域化，不同顏色表示使用不同頻帶
當使用了細胞扇形區域化的技術後，同頻干擾的干擾源會減少。某些在傳統 使用全向性天線會造成干擾的細胞，因為每個細胞使用了多個指向性天線且每根 天線只負責傳送部分角度，而使得傳送的信號不再會干擾到所觀察的細胞。如圖 2-1-3 所示，當群體規模為 7 時，原本有六個使用頻帶 5 的細胞都會對位於中央 使用頻帶5 之細胞產生同頻干擾。但經過 3-sector 之細胞扇形區域化後，只剩下 兩個細胞會對中央細胞產生同頻干擾。因此，細胞扇形區域化可以在相同的群體 規模下，降低同頻干擾而提升鏈路品質。
圖2-1-3 細胞扇形區域化可減少同頻干擾源
使用細胞扇形區域化固然可以藉由指向性天線的幫助提高鏈路品質，但是，
通常為了降低細胞扇形區域化後不同區域彼此之間的干擾。不同區域之間會使用 不同的頻帶。所以必須將原先分配給細胞的頻帶再進一步的切割以分配給每個區 域使用，會導致集群效率(trunking efficiency)的下降，使得系統容量會遭受一些 損失。此外，每個基地台所使用的天線數目也會從原本的單根全向性天線變成需 要多根的指向性天線，也會使得系統的佈建成本提高。
為了享受細胞扇形區域化所帶來的鏈路品質提升同樣也需要付出集群效率下 降及系統佈建成本提高的代價，電信業者應該根據所要提供的服務，綜合考量細 胞扇形區域化帶來的優劣，再決定是否使用。[1][2]
2-2 中繼站輔助之無線通訊系統
為了因應未來通訊系統所需提供的高速率高品質的通訊服務，傳統無線通訊 系統必須要引入和搭配各種新技術來達到目的。中繼站輔助之無線通訊系統便是 一個被認為可行的架構。相較於傳統的蜂巢式系統(cellular system)只有基地台 (Base station, BS)可以作為伺服器(serving station)來幫助使用者作資料的傳輸。中 繼站輔助之無線通訊系統除了基地台外還多了中繼站(Relay station, RS)可以扮 演伺服器的角色。可以幫助那些與基地台間連線因受到地形、地物的阻礙而造成 連線品質低落的使用者，藉由選擇中繼站做為伺服器利用多躍傳輸(multi-hop)來
提升與基地台和後端網路間的通訊品質。以避免這些使用者在基地台有限的傳送 功率下，因無法滿足所需的通訊品質而形成傳輸死角(dead spot)，造成系統整體 的效能下降。
圖2-2-1 便是一個中繼站輔助之無線通訊系統的示意圖，在這種新的傳輸架 構下，距離基地台較近或是具有較優秀的連線品質的使用者便可以不需經過中繼 站的輔助直接選擇基地台作為伺服器利用單躍傳輸(single hop)來與基地台作資 料的傳輸。當因距離基地台較遠或是地形、地物的遮蔽效應(shadow effect)而造 成與基地台的連線品質不佳的使用者則會選擇中繼站作為伺服器利用多躍傳輸 來與基地台取得聯繫。基地台會將所要傳送的資料送往中繼站，中繼站再將所收 到的資料轉送給使用者，反之中繼站也可以轉送從使用者來的訊號給基地台。
圖2-2-1 中繼站輔助之無線通訊系統，MS 1 作單躍傳輸 MS 2 則藉由中繼站的幫助作多躍傳輸。
2-2-1 中繼站的分類
1. 解碼功能：
依照中繼站解碼功能的有無可以將中繼站區分成解碼式中繼站(decode and forward RS)及放大式中繼站(Amplify and forward RS)。解碼式中繼站會 將從基地台接收到的信號進行解碼，再重新進行一次編碼才傳送給使用 者，由於這種特性所以又稱之為再生中繼站(regenerative RS)。放大式中繼 站則是只將從基地台所接收到的信號作放大和轉送，但是不會對所接收到 的信號去作任何的解碼和處理，又稱之為非再生中繼站(non-regenerative RS)。[3]
2. 移動能力：
依照中繼站的移動能力，可將中繼站區分成固定式中繼站(fix RS)和移 動式中繼站(mobile RS)。固定式中繼站通常和基地台一樣都是由通訊服務
的提供者所架設。由於固定式中繼站缺乏移動的能力所以所擺放的地點需 技術(in-band relaying)和非同頻中繼技術(out-band relaying)兩種中繼站。同 頻中繼技術的中繼站所使用的頻帶會是基地台所使用的頻帶中的一部分，
1. 較高的使用者傳輸速度(higher user throughput)
透過中繼站來協助傳輸可以讓使用者不需直接與距離遙遠的基地台連
圖2-2-2 中繼站可協助提升使用者的傳輸速度
2. 擴大細胞涵蓋範圍(extend cell coverage)
藉著將中繼站擺放在細胞邊緣上，可以讓原先無法獲得服務的使用者藉 由中繼站的協助而能與基地台建立連線。此時亦可視為原先細胞的涵蓋範 圍會因為中繼站的加入而擴大。[5]
圖2-2-3 細胞涵蓋範圍擴大示意圖
3. 均勻的傳輸速率(uniform data rate coverage)
如果將中繼站佈放在因為距離遙遠或是遮蔽效應嚴重而造成的鏈路品 質低下的區域，可以改善此區域使用者的鏈路品質而增加傳輸速率。由系 統的層面來看，中繼站的佈放可以有效的改善原本傳輸速率較差的使用 者，而使得整個細胞中的所有不同位置的使用者所獲得之傳輸速率逐漸趨 於一致。
圖2-2-4 中繼站可使使用者的傳輸速率趨於一致
4. 頻譜重複使用(frequency reuse)
在無線通訊系統中，頻譜是非常珍貴的資源，為了取得頻譜的使用權通 常都得付出相當鉅額的權利金。所以在無線通訊系統中，提高頻譜的使用 效率也是一個很重要的課題。
由於中繼站會以相較於基地台較低的傳送功率來服務其周遭的使用 者。在訊號衰減及遮蔽效應很嚴重的環境，如：都會區，可以藉著訊號會 嚴重衰減的特性，讓同一個頻帶有讓兩個以上中繼站同時使用的可能性。
彼此距離較遠的中繼站間，因為較低的傳輸功率以及嚴重的訊號衰減現 象，導致使用相同頻帶傳輸對彼此的干擾是在可容忍範圍時，便可以重複 的使用頻譜，提高系統整體的頻譜使用效率。[6]
圖2-2-5 中繼站之頻譜重複使用示意圖
5. 降低佈建成本
中繼站主要是用來協助基地台與使用者之間的通訊服務，本身並沒有能 力與後端網路作聯繫(backhaul network)，所以可以大幅的節省電信業者為 了建置後端網路所耗費的成本，如道路開挖及管線設置等。此外，中繼站 所需的訊號處理能力及網路處理功能等都不像基地台那麼複雜。因此，佈 建中繼站的複雜度和成本都遠低於基地台。藉由佈建中繼站減少基地台的 佈建便可以使整體系統的佈建成本下降。
圖2-2-6 佈建中繼站而降低所需佈建之基地台，可以降低整體系統之佈建成本
2-2-3 中繼站輔助之無線通訊系統所需之代價[7]
1. 多躍傳輸需額外的無線電資源(extra radio resource for multi-hop transmission)
進行無線傳輸時必定需要消耗無線電資源，使用中繼站作多躍傳輸時，
由於不管是從基地台到中繼站、中繼站間或者是中繼站到使用者都是藉由 無線傳輸來傳輸資料。相較於單躍傳輸，多躍傳輸需要消耗較多份的無線 電資源。雖然多躍傳輸可以提供較好的鏈路品質，若在相同的傳輸量下可 以減少每一份無線電資源的使用量。但是多躍傳輸需要較多份的無線電資 源，所以並不是所有使用者都需要透過中繼站的協助，若無適當的規劃則 透過中繼站協助傳輸可能會消耗更多的無線電資源，造成系統的無線電資 源使用效率下降。
2. 信令冗餘(signal overhead)
為了讓接收端可以明確的知道什麼時候在什麼頻率可以接收到所要接 收的資料，通常會藉由加入一些控制信號(control signal)來維持整個系統可
以正常的運作。控制訊號與所要傳輸的資料無關，但是一樣會消耗無線電 資源。當藉由中繼站作多躍傳輸時，多躍傳輸中的每一段鏈路都需要控制 信號來維持傳送跟接收之動作可以正常運作。因此隨著躍數的(hop count)
以正常的運作。控制訊號與所要傳輸的資料無關，但是一樣會消耗無線電 資源。當藉由中繼站作多躍傳輸時，多躍傳輸中的每一段鏈路都需要控制 信號來維持傳送跟接收之動作可以正常運作。因此隨著躍數的(hop count)