本章將介紹IEEE 802.16j Multi-hop Relay 系統所採用的傳輸技 術，接著介紹Multi-hop Relay 的基本網路架構。
2-1 OFDMA 多重接取技術
正交分頻多工技術[1,2,3]-OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)採用不連續多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的 用錯誤更正碼(Error correction coding)來進行糾錯。
傳統的FDM(分頻多工)理論將頻寬分成幾個子通道，子通道間用 保護頻帶來降低干擾，他們同時發送數據。而OFDM 系統比傳統的
FDM 系統要求的頻寬要少得多。由於每個子載波間具有正交性，子
載波彼此之間不會產生干擾而可讓頻譜相互重疊不需保護頻帶。因 此，OFDM 系統比傳統分頻多工系統具有較好的頻寬效益(bandwidth efficiency)[4]，FDM 及 OFDM 頻譜使用的比較如圖 2-1.1 所示。
圖 2-1.1 OFDM 技術示意圖
圖 2-1.2 傳統(a)FDM 與(b)OFDM 的頻譜使用示意圖
OFDM 訊號由相移鍵控（PSK）或正交振幅調變（QAM）調變 的干擾，我們在每一個OFDM 方塊中置入保護區間（Guard Interval）
或稱循環前置碼（Cyclic Prefix）如圖 2-1.3 所示。
圖 2-1.3 OFDM 之保護區段
一般而言，保護區間長度的選擇要大於所預期的最大傳輸延遲擴 散。但是若是保護區間留下空白則會發生載波間的互相干擾，造成互 相不正交，於是我們將循環前置碼置入保護區間消除子載波間的干擾 效應。
由於對每一個OFDM 訊號接置入循環前置碼，當傳輸延遲擴散小 於保護區間時，可確保每個 OFDM 訊號中被延遲的信號在一個完整 的 FFT 區間中能維持整數倍週期。因此在多路徑傳輸延遲小於保護 區間的情況下將不會引起子載波間的干擾。
由以上可知OFDM 對頻譜使用的效益很高，以及對於無線通訊中 最嚴重的多路徑衰減問題有不錯的抵抗能力，使得OFDM 在未來的 第四代行動通訊之中扮演著很重要的一個角色，若進一步的把OFDM 技術配合著多重接取（Multiple Access）[]的技術，相信能夠增加系統
的可靠性，也同時能提高系統的效能[1][2]。
子通道組成方法
在IEEE802.16j 系統裡，能夠被分配的資源之基本單位為子通道 (Subchannel)，而每個子通道是由子載波所組成的，因此如何選取子 載波來形成子通道的方法我們稱為子通道組成方法(subchannelization process)。
子通道組成的方法有下列兩種：
1. Adjacent sub-carrier channelization 2. Distributed sub-carrier channelization
圖 2-1.4 子通道組成方法示意圖
如圖2-1.4 所示，這兩種子通道組成方法最大的不同在於隸屬於
同一個子通道裡的子載波位置之相對關係。Adjacent sub-carrier channelization 挑選相鄰的子載波來組成子通道；而 Distributed sub-carrier channelization 則是挑選不相鄰的子載波來組通道。
本篇論文所採用的子通道組成方法為Adjacent sub-carrier
channelization，以下就以 IEEE 802.16e[5]所提出的方法說明。如圖 2-1.5 所示，首先將同一 symbol 內連續 9 個子載波組成一基本單位 -bin，其中第五個子載波為領航(Pilot)載波。接著再取連續 6 個 bin 即
組成一個子通道，而這連續6 個 bin 的組合方式有兩種選擇，如圖 2-1.5 所示。
圖 2-1.5 adjacent sub-carrier 子通道組成方式
2-2 IEEE 802.16j Multi-hop Relay 系統
現今無線接取網路(Radio Access Network)之架構主要由眾多基地 台(Base Station, BS)與用戶端(Subscriber Station, SS)組成，而加入中繼 器(Relay Station, RS)後成為新的 Multi-hop Relay 網路架構如圖 2-2.1。
在此網路架構SS 可以根據連線品質做為判斷而選擇與 BS 連線或 是透過RS 與 BS 進行連線。在此架構下，IEEE 802.16j 定義了兩種連 線種類：Access link 以及 Relay link。Access link 包括了 SS 與 BS 的 連線以及SS 與 RS 的連線，且由於 IEEE 802.16j 研究小組曾決議該 標準必須在不修改用戶端規格之限制下亦能運作，所以Access link 必須與IEEE 802.16e 能夠相容；Relay link 包括了 RS 與 BS 的連線以
以下介紹加入RS 能為系統帶來哪些好處：
1. Improve the received signal quality (high user throughput)：
圖 2-2.2 增加信號強度示意圖
由圖2-2.2 中可看到，RS 首先接收來自基地台發送之訊號，接著 再將訊號轉送給用戶端。藉由適當的佈放RS 可使訊號避開不理 想的傳播路徑以減少衰減，同時在轉傳時可再度拉高其功率，如 此雙管齊下可使用戶端所接收到的連線品質大幅改善。
2. Extend cell coverage：
將RS 佈放於原有基地台涵蓋區邊緣處，讓原本無法獲得服務 的使用者藉由RS 的轉傳而能與基地台建立連線，此時可視為 原基地台的涵蓋範圍獲得擴大。
圖 2-2.3 延伸涵蓋區域示意圖
3. More aggressive radio resource reuse：
圖 2-2.4 無線資源重用示意圖
由於RS 的涵蓋範圍只佔原基地台涵蓋範圍的一小部分，而且 RS 涵蓋範圍之間存在著程度大小不一的遮蔽效應，因此有更 多的機會對同一頻帶進行重複使用而增進頻譜效益。
4. Improve data rate coverage uniformity：
圖 2-2.5 Uniform data rate coverage 示意圖
將 RS 佈放於遮蔽效應嚴重區域使得改善訊號品質而增加資 料傳輸率。由系統層面觀之，此種佈放方法可使位於不同位 置 使 用 者 獲 得 的 資 料 傳 輸 率 趨 於 一 致(uniform data rate coverage)，如圖 2-2.5 所示。
5. Reduce the network deployment cost：
RS 不須後端固接網路(wire-line backhaul)的設置，可大幅節省 電信業者為建置後端網路所耗費的成本，如道路開挖和電路租 用等。且 RS 不須具備網路處理功能，因此其製作複雜度及成 本將甚低於基地台。
ASN Gateway
ASN Gateway T3 or fiber
T1
其多載波及多通道的特性可同時支援多個使用者。
在SS 規格不得更改的限制下，為了解決 SS 無法辨識 RS 存在的情形 下仍能確保系統運作無虞的問題，因此IEEE 802.16j 提出了兩種碼框 架構：Non-transparent relay frame structure 以及 transparent relay frame structure。
首先我們先介紹non-transparent relay frame structure，由圖 2-2.7 可以看出，每個BS 的碼框可分成下鏈子碼框(DL subframe)和上鏈子 碼框(UL subframe)，此兩個子碼框又再分成 Access Zone 和 Relay Zone，其中 Access Zone 為 Access link 的工作區間而 Relay Zone 則為 Relay link 的工作區間。在下鏈子碼框的 Access Zone 包含了 preamble，
FCH(frame control header)，DL_MAP 和 UP_MAP 及下鏈使用者的資 料區塊。DL_MAP 和 UP_MAP 最主要在提供使用者資料會被分配在
下鏈子碼框和上鏈子碼框的哪一區塊內，上鏈子碼框包含了使用者上 鏈的資料區間以及調距子通道(ranging subchannel)，至於下鏈子碼框 的Relay Zone 所傳送的目標只是換成 RS，BS 可藉由此時間內告知 RS 須在指定時間與指定子通道去轉傳指定的資料。
圖 2-2.7 Non-transparent Relay frame structure
而RS 的碼框結構亦與 BS 的碼框相同，在 DL Access Zone 亦包 括了preamble，FCH(frame control header)，DL_MAP 和 UP_MAP 及 下鏈使用者的資料區塊，因此使用者會在接受到其preamble 時認為 使用者本身是和BS 連線間的，換句話說，此時的 RS 就像是 BS 的 一個sector。在 DL Relay Zone 時間內，RS 接收來自於 BS 的訊號及 資料並依照指令在接下來的碼框進行轉傳的動作。
接下來介紹transparent relay frame structure，如圖 2-2.8 所示，一
個碼框可分成下鏈子碼框和上鏈子碼框，下鏈子碼框又可分成DL Access Zone 和 Optional Transparent Zone，在 DL Access Zone 時間內 BS 發送 preamble，FCH，DL_MAP 和 UP_MAP 及下鏈使用者的資料
區塊，而RS 在這段時間內為接收狀態並依照接收到的指令在 Optional Transparent Zone 傳輸訊號讓使用者接收，而 BS 在 Optional
Transparent Zone 可以選擇性的與 RS 共同合作傳輸訊號。上鏈子碼框
則與non-transparent relay frame structure 相同。由於 transparent relay frame structure 下的 RS 並不會發送自己的 preamble，因此使用者並不
會察覺到有此一RS 的存在，這是與 non-transparent frame structure 最 大不同之處。
圖 2-2.8 Transparent Relay frame structure
第三章 適用於 Multi-hop Relay 之涵蓋區規劃方法
在系統運作之前，我們必須確保發射器的涵蓋區能夠覆蓋所有的 服務範圍而沒有漏洞。因此，我們需要做好事前的涵蓋區規劃，讓每 個訊號發射器使用適當的發射功率來達到seamless transmission 的目 標。
接下來我們將以 IEEE 802.16j 為例子。根據 IEEE 802.16j 碼框結 構，系統會規劃BS 或是 RS 去傳送信號(control signal 或 data burst) 給連結在其下鏈的接收器，而這些信號的傳送範圍會隨著不同 Relay mode 以及不同的時間而有所不同的因此在接下來的幾個小節，我們
以傳送信號種類做為區別，分別為control signal、access link 以及 relay link 來探討涵蓋區規劃方法。
並且利用鏈路預算此工具計算出適合此三種情境欲達到涵蓋範 圍所需的訊號發射功率。
3-1 控制訊號之涵蓋區規劃方法
在每個碼框的起始處，BS 會送出 preamble，frame control header 以及maps，這些即為 control messages，送出這些信號的目的是為了 要讓底下的MS 知道如何解讀此碼框的內容，所以在 Transparent Relay Mode 以及 Non-transparent Relay Mode，BS 發送 control message 的範 圍就有所不同。
在Transparent Relay Mode，每個細胞(cell)只有 BS 會發送 control message，所以 BS 必須將 control message 傳送到整個細胞涵蓋區域，
如圖3-1.1 的灰色區域。
在Non-transparent Relay Mode，每個細胞裡的 BS 和 RSs 皆會發 送control message (In two-hop case)，所以在此情境下，BS 和 RS 只 要將control message 傳送到其規劃的 MS 涵蓋區即可，如圖 3-1.1 的 藍色和紅色區域。
在每個碼框的Relay Zone 之初，BS 也會發送 control messages 包 含R-preamble，R-frame control header 以及 R-maps 給底下的 RS，目 的亦和上述的control message 相同。
無論是在Transparent Relay Mode 或是 Non-transparent Relay Mode，BS 只要將這些 control message 傳送到全部的 RS 皆可收到的 涵蓋區即可，如圖3-1.1 的橘色區域。
圖 3-1.1 Coverage of control signal
知道在某一特定Relay mode 的某一段特定時間內，一個傳送端要 涵蓋多大的範圍後，我們就可以利用鏈路預算此工具去估算在系統建 置初期要發送多大的功率。表3-1.1 是一個鏈路預算的範例，此範例 考慮一系統頻寬為10MHz 的 IEEE 802.16j Multi-hop Relay 系統，採 用adjacent permutation 子通道以及環境溫度設定在 239K (20℃)。關 於鏈路預算所列出的各項參數及相關設定可以在H. Holma 的著作[7]
中找到詳細的說明。
在鏈路預算理所列出的各項參數都有其物理意義，都是用來反映 真實環境，因此所模擬出來的結果才有其參考價值。接下來是說明表
3-1.1列出的各項參數之意義：
Tx power for each BS – 基地台發射訊號所能達到的最大功率，單位是 dBm。
Tx power for each sub-carrier – 基地台在每個子載波上發射訊號的最大功 率，單位是dBm。
BS Antenna gain – 基地台天線的增益，此項為零代表基地台使用無指向性 (omni-directional)天線，若不為零則代表基地台使用指向性(directional)天 線，單位是dBi。
EIRP per sub-carrier – Equivalent Isotropic Radiated Power per-sub-carrier 的 簡稱，為每個子載波送出天線時的發射訊號功率。
EIRP per sub-carrier – Equivalent Isotropic Radiated Power per-sub-carrier 的 簡稱，為每個子載波送出天線時的發射訊號功率。