第一章 簡介
1.1 背景
1.1.2 IEEE 802.16j Multi-hop Relay 簡介
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我們比較現今的電信網路，發覺現今的電信網路中主要採用微細胞（micro cell）基 地台或強波器（repeater）的佈置來改善此問題。然而前者的問題在於成本過高，而後者 則會有干擾訊號被一併放大的問題，較缺乏智慧型控制機制。為了在成本及效能間取得 較佳的平衡點，IEEE 802.16 標準制訂組織開始成立 Mobile Multi-hop Relay（MMR）研 究小組來研究在 IEEE 802.16 系統中採用中繼傳輸（relay）技術的可行性。
雖然中繼傳輸（relay）技術用來擴大無線傳輸範圍並非新觀念，但被實作出來卻是 在最近幾年的事。在 IEEE 802.16e-2005 中，有許多研究是著重於 Multi-hop Relay 的相 關概念，因此 IEEE 802.16j 被制定出來所著重之處便在於 Relay 所造成在以往 IEEE 802.16 標準所產生的問題。
Peters[9]提到 IEEE 802.16j 的標準制訂並非期望設計出一個全新包含多重跳躍
（multi-hop）技術的無線網路，而是延伸僅支援單一跳躍（single-hop）技術的 IEEE 802.16 進而涵蓋多重跳躍技術。
1.1.2 IEEE 802.16j Multi-hop Relay 簡介
現今無線接取網路（Radio Access Network）的架構主要是由基地台（Base Station, BS）
與用戶端（Subscriber Station, SS）所組成。藉由網路規劃可以將基地台放置於適當的地 點來確保在有限傳輸功率下可以使訊號完整覆蓋特定區域。而實際情況是，在基地台傳 送資料給用戶端時，雖然用戶端位於基地台的涵蓋範圍內，但還是很有可能會因為地形 地物而造成訊號的遮蔽衰落（shadow fading）效應，再加上為了擴大基地台涵蓋範圍
（coverage extension），在 IEEE 802.16j 中加入中繼站（Relay Station, RS）以轉傳資料。
‧
3 Transpar
RS 根據的 範圍中，用戶 嚴重的區域
ransparent M 的轉傳得以
rent mode
的佈放情形可
‧
4 Access li
在 IEEE 8 透過 RS 與 需做區隔，因
包含 MS 與 E 802.16j ess link 必 RS 間的連線
5 IEEE 80
IEEE 802.
可同時支援多 提出了兩種 f
cture。
如圖 1-3 所
nk 和 Rela
802.16j 的網 MR-BS 進 E 802.16e y link 是 80
Access link a
構
頻多重擷取 的出現，在 ent relay fra
個 frame 可切
and Relay l
取（OFDMA 在 frame 的架
ame structu
切割為上行
ransparent r
rame）及下行 EEE 802.16j relay frame
行 subframe 線
‧
L subframe DL access zo
ame control 待接受到 MR 用者。MR-B 要是提供使用 在 transparen 會察覺有 RS nt relay fram S 的存在。
圖 1
non-transpar
bframe 包括 onal transpa
DL_MAP、
號後並依照 時間可自行 輸資料會被分
me structure
-3：Transp
rent relay fr
5
括上行資料和 arent zone。
、 UL_MAP 照收到的指令 行選擇是否與
分配在 UL 下的 RS 並
parent Relay
frame struct
和 ranging
。在 DL acc P 和下行使 令在 Option 與 RS 或 M
subframe 或 並不會發送自
y frame stru
ture。與 tra
subchannel cess zone 中 使用者的資料
nal Transpar MS 溝通。D 或 DL subfr 自己的 pre
ucture[3]。
ansparent re
l，下行 sub 中 MR-BS 會
料。RS 在這 rent Zone 傳 DL_MAP 和
rame 的哪個 eamble，因此
elay frame s
frame 可分 會傳送 FCH 這段時間內 傳輸資料給 和 UL_MAP 個區塊。此 此使用者並
structure 相 分
‧
DL subframe 藉由 Relay Z
subframe 與 one 即 acce ransparent r
、DL_MAP 時與指定的
在 DL Acce RS 需要轉 -BS 的資料
nsparent Re
ame，而此兩 資料傳輸區間
relay frame
、UL_MAP 的通道轉傳資
ess Zone 也包 轉傳 MR-BS
料並在下一個
lay frame st
兩 frame 又再 間；relay z
structure 的 P 和下行使 己的 preamb 中作轉傳的動
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1.2 研究動機與目的
無線網路的訊號不良可能會造成封包的遺失，封包遺失會增加解碼端解碼錯誤的機 率，進而影響多媒體影音品質。而多媒體傳輸常用的網路傳輸協定為 UDP（User Datagram Protocol，用戶資料流協定）與 TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）。不 同的是，UDP 並非採取連線導向的機制，並未提供可靠的傳輸模式。在 UDP 傳輸過程 中，使用者接收到封包後，不會回覆回應封包（ACK）給傳送端，所以 UDP 封包不像 TCP 封包有較為嚴密的驗證機制，它也不保證每個封包都能到達目的地，在封包遺失的 狀況下，多媒體影音品質也跟著下降，聲音會變得斷斷續續的或者影片會出現失真、停 格、馬賽克等現象，這都會大大降低使用者的滿意度。
在傳統有線環境下當網路上流量過大超過網路設備負荷量，或網路中部分線路品質 不穩時，可能會有部份封包於傳送過程中遺失。而在無線網路環境中，受限於物理環境 的影響，使得傳送訊號會因訊號耗弱、通訊死角或氣候干擾等因素造成傳輸失敗，與有 線網路相比不論在自然因素、物理現象、媒介或是協定上都顯得較為不穩定，因此當使 用者透過無線網路接收多媒體影音串流資料時，影音品質可能不如有線網路，造成傳送 影音品質下降。
在 WiMAX 無線環境傳輸下是可能發生錯誤（Error）的，但在 IEEE 802.16 的 MAC 規範中，QoS 的 rtPS 等即時性封包機制並無強制採用重傳機制，此導致即使擁有再好的 壓縮演算法，也不足以應付 Error 所損失的封包。我們期望在 IEEE 802.16j 的 MAC 層 上改進此缺失，將遺失封包盡可能的救回。在補救機制中，使用者發佈混和自動重送要 求（Hybrid Auto Repeat Request，HARQ）是一項不錯的選擇。在本研究中即以 IEEE 802.16j 網路為基礎，藉由改良 HARQ 流程重新評估不同 QoS 等級封包的重傳機制，並
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提出完善可行的具服務品質感知的 pre-allocated slot 機制，盡可能在有限制的條件下，
讓傳輸品質最佳化。
IEEE 802.16j 雖被制定出來解決中繼傳輸所帶來的問題，但卻相繼帶來許多挑戰是 尚待解決的[9]。多加入了中繼站（Relay Station, RS），使得許多在 IEEE 802.16e-2005 中的標準技術不適於 IEEE 802.16j。其中，在 IEEE 802.16 標準裡的 MAC 層是需要保證 QoS（Quality of Serviec），在 802.16j 一樣不例外。在多個跳躍點下，如何利用 Hybrid Automatic Repeat reQuest（HARQ）降低延遲時間以保證 QoS 正是我們所要研究的議題。
1.3 論文組織與架構
本論文章節架構如下：第一章介紹 IEEE 802.16j 的背景知識及其架構，並說明本研 究的主要動機與目的。第二章為相關研究。我們研究在標準規格書上各類別的服務品質 參數及在 802.16j 上可進行的快速重傳機制（pre-allocated slot），並提 DP-HARQ[4]方法 的不足之處，如未限制 slot 數（slot limit）、在高錯誤率的環境下無法有效發揮（AIAD）、
演算法上無釋放佔有 slot 的空間及並未針對各類別的服務品質（QoS）設計合適的 HARQ 機制。第三章介紹本研究所提出的方法。我們將針對不同 QoS 設定不同的 Maximum Slot 個數並增加重傳次數限制（retransmission times limit）。另外增加使用 pre-allocated slot 的限制（using pre-allocated slot limit）。針對在高錯誤率下使用 pre-allocated slot 機制的 不足，改正此缺失卻也保持原 pre-allocated slot 機制的優點，增加傳輸效率。再根據所 提出的研究方法建立整個系統架構，並利用數學分析式進行系統分析。第四章敘述論文 的模擬環境，以及一些假設與參數設定，藉由模擬器進行模擬實作與效能分析。第五章 為本研究成果提出總結，並說明未來後續可研究發展的方向。
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第二章 相關研究
2.1 錯誤控制（Error Control）
無線資料的傳播，可能會因傳輸通道的快速變化或多重路徑以及訊號衰弱的情況下，造 成封包在傳輸過程中發生遺或錯誤的現象。因此我們需要錯誤控制（Error Control）機 制使傳輸封包能因為重傳或錯誤更正而正確無誤的傳達到目的。基本上，有關錯誤控制 的方法大致可分為順向錯誤更正 FEC（Forward Error Correction）及自動重送要求 ARQ
（Automatically Repeat reQuest）。FEC 應用 Error Correction Codes 先將資料編碼後再傳 輸出去，即使在接收端有錯誤發生時，可利用編碼機制，在容許的錯誤範圍內，將資料 更正回來，是屬於單項系統。而 ARQ 是應用 Error Correction Codes 將資料編碼後再傳 輸，若在接收端發生錯誤，利用 Feedback Channel 回傳正回應（ACK）或負回應（NACK）
給發射端，以表示該封包已經正確接受或錯誤接收，然後再由發射端研判是否需要重傳 封包，是屬於雙向系統。
比較上，FEC 需要較複雜的解碼器，但可維持即時串流的需求。而 ARQ 的解碼器 較簡單，但需要 Feedback Channel 以及多次的重傳才能成功，因此會有較大的延遲時間，
較不適合即時資料的傳輸。當通道的錯誤率提高時，FEC 必須要有更多的冗餘位元
（Redundancy），而 ARQ 則需要較多次的重傳，兩者都會造成系統的傳輸率降低。因此 一種結合 FEC 與 ARQ 方法的 HARQ（Hybrid Automatically Repeat reQuest）混合自動重 送要求機制便被提出。
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HARQ 混和自動重送要求機制在 802.16e 就被提出，如同上段所敘在通道的錯誤率 提高時，FEC 需要有更多的冗餘位元，而 ARQ 則需要較多次的重傳。因此我們採用 HARQ 機制，其包含 FEC 可維持即時串流的需求。在即時性封包傳送時，若通道的錯誤率上 升，HARQ 可利用自動重傳要求（ARQ）來解決 FEC 在解碼器上需要更多冗於位元的 問題，也可增加封包傳送的穩定性。其 HARQ 具有 FEC 的優點，因此在分析上 HARQ 的效能至少會比 FEC 的效能來的好，這也是我們選用 HARQ 的主要原因。
2.2 Multi-hop Relay 上的 ARQ 機制
在 IEEE 802.16j 制定出完整的標準時，已有許多研究探討 Multi-hop Relay 在 WiMAX[5][6]上的可行性，並使用 ARQ 錯誤控制機制讓多重跳躍的中繼傳輸較為穩定。
有關 ARQ 機制在 Multi-hop Relay 的研究上，大致分為以下三種 1. End-to-end
中繼傳輸站只需轉傳封包及回傳 feedback 訊息，並不需要額外作其他事情。此種傳 送方式是最為簡單，並且可以處理換手（handover）的問題，因為傳送端可以知道所有 傳輸封包的狀態。此方式雖然簡單卻相對有許多缺點，假使在中繼點成功接收傳送端的 封包，卻在目的接收端發生錯誤，其所需要重傳的延遲時間非常長，且沒有效率。如圖 2-1，當 PDU#2 在 RS 和 MS 之間發生傳送失敗時，需要回傳 NACK 訊息給 RS 然後轉 傳給 BS 後，再重新傳送 PDU#2 封包。
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End ARQ。
要回傳自身的
的 feedback 的跳躍點（h
‧
上 ACK/NAC 生錯誤的地方end-to-end A
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-hop ARQ。
d-to-end AR 低。其最主 包資料後，需
是在 RS 還 2，BS 就無 op-by-hop A
。
by-hop ARQ 是除了讓 R
‧
留 slot（Pr
02.16 中，其ted slot）
料的模式主要 02.16j 中，
作模式為集
。HARQ 封 傳送的封包 送。802.16j 的
制。 的 ACK/NAC 傳送的時間
d-to-end 的傳
式（PMP），
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如上一 ARQ 傳送機制所述，這樣的傳送方式雖然簡單卻相對有許多缺點，假使在
如上一 ARQ 傳送機制所述，這樣的傳送方式雖然簡單卻相對有許多缺點，假使在