在NCTUns平台上模擬IEEE 802.16j Transparent mode WiMAX網路

國

立

交

通

大

學

 

資訊科學與工程研究所

 

碩

士

論

文

在

NCTUns

平台上模擬

IEEE 802.16j

Transparent mode WiMAX

網路

Simulating IEEE 802.16j Transparent mode

WiMAX Networks over the NCTUns Network Simulator

研 究 生：陳信瑀

指導教授：王協源 教授

     

中 華 民 國 九 十 八 年 六 月

在NCTUns平台上模擬IEEE 802.16j Transparent mode WiMAX網路

Simulating IEEE 802.16j Transparent mode WiMAX Networks

over the NCTUns Network Simulator

 

 

研  究  生：陳信瑀      Student：Hsin‐Yu Chen 

指導教授：王協源      Advisor：Shie‐Yuan Wang 

 

國  立  交  通  大  學 

資  訊  科  學  與  工  程  研  究  所 

碩  士  論  文 

 

A Thesis  Submitted to Institute of Computer Science and Engineering  College of Computer Science  National Chiao Tung University  in partial Fulfillment of the Requirements  for the Degree of    Master  In    Computer Science  June 2009  Hsinchu, Taiwan, Republic of China 

 

 

中華民國九十八年六月 

在NCTUns平台上模擬IEEE 802.16j Transparent Mode WiMAX網路

Simulating IEEE 802.16j Transparent Mode WiMAX Networks

over the NCTUns Network Simulator

研 究 生：陳信瑀 指導教授：王協源

國立交通大學

資訊科學與工程研究所

摘 要

全 球 互 通 微 波 存 取 技 術 (Worldwide Interoperability of Microwave Access , 簡稱 WiMAX)為近年來新興的無線寬頻存取技術，其目的為增加傳統固接網路中用戶端 (last-mile) 網路接取不足的頻寬。IEEE 802.16j (Mobile Multi-hop Relay WiMAX, 簡稱 MMR WiMAX) 為目前正在制訂的 WiMAX 新的標準草案，此標準草案是以移動式 IEEE 802.16e 為基礎所延 伸的標準，提供在 WIMAX 網路下資料多段轉傳 (multi-hop relay)的能力與增進基地台涵蓋 率 (coverage)，並且藉由中繼台 (Relay Station)的佈建降低建置基地台所需的昂貴成本與提 高 WiMAX 系統傳輸效能。

在本篇論文中，我們在 NCTUns 網路模擬器裡開發 IEEE 802.16j 中控型排程機制的穿 透式網路模組。我們所開發的模擬模組在此種網路拓樸下提供三種新的節點，分別是 MR-BS (Multi-hop Relay Base Station)、FRS (Fixed Relay Station)和 MS (Mobile Station)，供使用 者方便建置網路拓樸。在媒體存取控制層，我們的模組支援簡單的用戶端路徑選擇演算法和 動態調整設備台間使用的調變方式；而實體層的部份，則是採用 OFDMA TDD 模式並且搭配 穿透式網路訊框架構來設計。根據我們的模組實作，可以提供對 IEEE 802.16j 穿透式網路研 究有興趣的使用者一個方便的模擬平台。 關鍵字：網路模擬器、IEEE 802.16j 穿透式網路、全球互通微波存取、硬式換手、 正交分頻多重存取。

Simulating IEEE 802.16j Transparent Mode WiMAX Networks

over the NCTUns Network Simulator

Student：Hsin-Yu Chen Advisor：Shie-Yuan Wang

Institute of Computer Science and Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

WiMAX is a new broadband wireless access technology, which is designed to provide a last-mile solution for metropolitan area networks. The IEEE 802.16j (MMR WiMAX) draft standard is currently under development and based on the IEEE 802.16e (Mobile WiMAX) standard. It not only provides multi-hop relay capability but also extends base station coverage by deploying relay stations around base stations. In addition, by deploying cost-effective relay stations, the IEEE 802.16j can reduce the number of base stations that should be deployed in the network, which greatly reduces the deployment cost of a network.

In this thesis, we developed the IEEE 802.16j centralized scheduling transparent WiMAX network protocol modules on the NCTUns network simulator. We implemented three new types of nodes, MR-BS (Multi-hop Relay Base Station), FRS (Fixed Relay Station) and MS (Mobile Station). The developed MAC-layer modules support a simple subscriber path selection algorithm and an adaptive modulation scheme to boost network performance. At the physical layer, we use the OFDMA TDD mode collocating frame structure in transparent-mode WiMAX network. Our work provides a convenient simulation platform for researchers that are interested in IEEE 802.16j transparent mode WiMAX networks.

Keywords: network simulator, IEEE 802.16j Transparent mode Network , BWA, WiMAX, hard handover, OFDMA, .

誌謝辭

  首先，感謝我的指導教授王協源老師這兩年來的指導，讓我在研究所的學習生涯中接觸 了許多的新穎技術和知識，透過這兩年的學習讓我在專業領域上的能力獲益良多，對於我未 來的就業或學習方面相信一定會有很大的幫助。另外，也要感謝周智良及林志哲兩位博班學 長，透過學長們的帶領與指導讓我在進行碩論的研究時所遭遇到的問題都能夠順利的迎刃而 解，而平時日常生活上的經驗傳承和諄諄教誨也讓我深深感受到學長們的用心。 再來，感謝藍崑展教授、張貴雲教授與陳伶志博士能夠撥冗蒞臨交通大學擔任本篇論文 的口試委員，你們珍貴的建議以及指導將使此篇論文更加的充實與完善。 感謝在這兩年一起奮鬥的實驗室同學，因為有你們讓我這兩年的研究所生活過得很充實 且快樂，也勉勵實驗室的學弟、妹們能夠繼續努力，並且期許你們都能夠順利的完成學業。 感謝在新竹的大學同學和朋友們、合勤的同事們以及在台北的薛小姐，謝謝你們的鼓勵 與支持。最後，我要感謝我的家人，謝謝你們在我研究所求學路程上的支持，讓我能夠無後 顧之憂全心全意的完成我的碩士學程，希望這份榮耀能夠與你們分享。  

目 錄

摘 要 ... i ABSTRACT ... ii 誌謝辭 ... iii 目 錄 ... iv 圖目錄 ... vi 表目錄 ... viii Chaper 1. Introduction ... 1 Chaper 2. Background ... 3 2.1 相關文獻 ... 5 2.2 媒體存取控制層 ... 8 2.2.1. 特定服務收斂子層 ... 8 2.2.2. 通用子層 ... 9 2.2.2.1. MAC PDU 遞送方式 ... 10 2.2.2.2. MAC 最小傳送單位封包結構 ... 11 2.2.2.3. 連線識別碼 ... 14 2.2.2.4. MAC 管理訊息 ... 15 2.2.2.5. 入網程序與初始測距 ... 18 2.2.2.6. 定期測距 ... 24 2.2.2.7. 換手機制與換手時機 ... 25 2.2.3. 安全子層 ... 28 2.3 實體層 ... 29 2.3.1. 正交分頻多重存取 ... 29 2.3.2. 可適性調變與通道編碼 ... 30 2.3.3. 二段式穿透式中繼台網路訊框架構 ... 32 Chaper 3. 設計與實作 ... 36 3.1. NCTUns 網路模擬器平台設計與模組架構 ... 36 3.2. 支援的節點與網路拓樸 ... 39 3.3. 多段轉傳穿透式網路協定堆疊 ... 41 3.3.1. 802.16j 穿透式網路 MR-BS 節點 ... 41 3.3.2. 802.16j 穿透式中繼台節點... 42 3.3.3. 802.16j 用戶端節點 ... 42 3.4. IEEE 802.16j 中控型穿透式網路模組設計與實作 ... 43 3.4.1. 媒體存取控制層模組的設計 ... 45 3.4.1.1. MR-BS 媒體存取控制層的模組設計與實作... 50 3.4.1.2. Transparent RS 媒體存取控制層的模組設計與實作 ... 59 3.4.1.3. MS 媒體存取控制層的模組設計與實作 ... 60

3.4.2. 實體層模組的設計 ... 60

3.4.2.1. MR-BS 實體層的模組設計與實作 ... 63

3.4.2.2. Transparent RS 實體層的模組設計與實作 ... 63

3.4.2.3. MS 實體層的模組設計與實作 ... 64

Chaper 4. Simulation Result ... 65

4.1. 模擬結果分析與驗證 ... 65

4.1.1. 中控型排程穿透式網路 UDP 效能量測 ... 66

4.1.2. 用戶端最佳傳輸路徑選擇 ... 69

4.1.3. 動態調整調變方式與編碼技術 ... 74

4.2. 模擬效能分析 ... 77

Chaper 5. Future Work ... 80

Chaper 6. Conclusion ... 82

圖目錄

圖 2-1 IEEE 802.16 的分層架構 ... 7

圖 2-2 收斂子層支援的封包類型 ... 9

圖 2-3 MAC PDU 結構 ... 11

圖 2-4 Generic MAC Header 欄位格式 ... 12

圖 2-5 Relay MAC PDU 結構 ... 13

圖 2-6 Relay MAC Header 欄位格式 ... 14

圖 2-7 管理訊息的欄位格式 ... 16 圖 2-8 用戶端 Network Entry 流程圖 ... 20 圖 2-9 用戶端於穿透式網路下之初始測距流程 ... 21 圖 2-10 中繼台 Network Entry 流程圖 ... 23 圖 2-11 用戶端於穿透式網路下之定期測距流程 ... 25 圖 2-12 用戶端換手機制下重新入網程序 ... 28 圖 2-13 實體層傳送與接收的調變與編碼流程 ... 31 圖 2-14 二段式穿透式網路下 MR-BS 訊框架構 ... 33 圖 2-15 二段式穿透式網路下 RS 訊框架構 ... 33 圖 3-1 NCTUns 裡的模組堆疊架構 ... 37 圖 3-2 Nslobject class 定義 ... 38 圖 3-3 模組間封包的傳遞架構 ... 39 圖 3-4 IEEE 802.16j 中控型穿透式中繼台模式支援的節點 ... 39 圖 3-5 IEEE 802.16j 二段式中控型穿透式穿透式中繼台網路拓樸 ... 40 圖 3-6 穿透式網路下節點網路協定堆疊 ... 43 圖 3-7 MR-BS、RS 與 MS 物件間傳遞關係 ... 52 圖 3-8 中控型基地台訊框配置流程圖 ... 54 圖 3-9 上行存取地帶競爭子通道測距碼的設計方式 ... 56 圖 3-10 基地台以 Round-Robin 進行下行頻寬配置 ... 56 圖 3-11 二段式穿透式網路訊框資料傳輸時間示意圖 ... 62 圖 4-1 基地台與用戶端間下行存取地帶 UDP 效能量測拓樸 ... 66 圖 4-2 中繼台與用戶端間下行穿透地帶 UDP 效能量測拓樸 ... 68 圖 4-3 用戶端最佳傳輸路徑選擇網路拓樸-1 ... 69 圖 4-4 用戶端調變方式與編碼技術權重圖-1 ... 71 圖 4-5 用戶端下行 TCP 與 UDP 流量分布圖-1 ... 72 圖 4-6 用戶端最佳傳輸路徑選擇網路拓樸-2 ... 72 圖 4-7 用戶端調變方式與編碼技術權重圖-2 ... 74

圖 4-9 基地台與用戶端間動態調整調變方式與編碼技術的網路拓樸 ... 74 圖 4-10 用戶端在不同距離下使用不同調變技術的 UDP 流量 ... 76 圖 4-11 使用 Adaptive Modulation 後用戶端的 UDP 流量 ... 76   

表目錄

表 2-1 Generic MAC Header 欄位說明 ... 12

表 2-2 Generic MAC Header 裡的 Type 欄位說明 ... 13

表 2-3 Relay MAC Header 新訂定欄位說明 ... 14

表 2-4 連線識別碼配置範圍 (CID) ... 15 表 2-5 管理訊息類型與描述 ... 17 表 2-6 OFDMA 實體層相關參數 ... 30 表 2-7 不同 FEC 下的單位 slot 傳輸量 ... 32 表 3-1 IEEE 802.16j 網路系統設計選擇 ... 44 表 3-2 DL-PUSC 參數表 ... 53 表 3-3 UL-PUSC 參數表 ... 54 表 3-4 調變方式與編碼技術組合權重表 ... 58 表 4-1 模擬時的系統參數 ... 65 表 4-2 MR-BS 與 MS 間在不同調變方式與編碼技術下 UDP 效能 ... 67 表 4-3 RS 與 MS 間在不同調變方式與編碼技術下 UDP 效能 ... 68 表 4-4 MR-BS 與 MS 間僅傳輸管理訊息並開啟通道編碼功能的實驗結果 ... 78 表 4-5 MR-BS、RS 與 MS 間僅傳輸管理訊息並開啟通道編碼功能的實驗結果 .. 78 表 4-6 MR-BS 與 MS 間傳輸 greedy UDP 封包並開啟通道編碼功能的實驗結果 . 79 表 4-7 MR-BS、RS 與 MS 間傳輸 greedy UDP 封包並開啟通道編碼功能的實驗結果 ... 79 

Chaper 1. Introduction

WiMAX(Worldwide Interoperability of Microwave Access，全球互通微波存取)為一種寬 頻無線網路接取技術，其優點包含有信號傳輸範圍廣、資料傳輸速率快，並充分解決傳統網 路架構上的最後一哩 (Last-mile)的不足。由於這種遠距離的傳輸特性，WiMAX 除了提供無 線傳輸的技術，在某種程度上還能替代有線網路 (Cable、ADSL)，讓偏遠地區的網路連接更 為容易。

WiMAX 技術以 IEEE 802.16 系列的規格為基礎，IEEE 802.16 最早是在 2001 年 12 月 提出，定位於固接、點對多點的無線傳輸，並使用 10~66 GHz 頻段提供可視性 (Line of Sight， 簡稱：LOS)傳輸服務。緊接著在 2003 年 1 月提出修訂版本 IEEE 802.16a，使用較低頻段 的 2~11 GHz 並增加非可視性 (Non Line of Sight，簡稱：NLOS)傳輸服務的相關規範，以 消除 IEEE 802.16 限制僅可在可視範圍內直線傳輸的缺點。在 2004 年 6 月通過 IEEE 802.16-2004，這項標準是先前兩種規格 IEEE 802.16 及 IEEE 802.16a 的整合版本，定義在 區域與都會網路中的寬頻無線存取介面，此標準將成為未來固接式通訊裝置所應遵循的規格。 針對行動通訊方面，在 2005 年 12 月訂定 IEEE 802.16-2005 (俗稱 802.16e 或 Mobile WiMAX)，WiMAX 的移動式標準，是 IEEE 802.16-2004 固接式系統的修訂版，提供行動裝 置在高速移動下的服務持續性及省電功能。除了上述正式的規格之外，目前尚有針對支援更 高傳輸速率的 802.16m 標準草案和為了降低設備價格、鋪設速度以及基地台收購的成本並且 提供多段轉傳 (Multi-hop Relay)功能的 802.16j 標準草案正在制定中。

WiMAX 多段轉傳的概念於 2005 年在 IEEE 大會中被提出討論，並於 2006 年 3 月正式 定名為 IEEE 802.16j 並成立 802.16j Task Group，在緊鑼密鼓的會議討論之下第一份標準草 案於 2008 年 8 月出爐，截至目前為止，此份標準草案已經發展到 D9 的版本，正式的規格 預計將於 2009 年底訂。由於 IEEE 802.16j 是以 IEEE 802.16e 標準為基礎而制定延伸的規 格，所以必須向下相容於舊有的 802.16d 規格，其主要目的在於延伸 WiMAX 系統的系統覆 蓋率，加強 WiMAX 網路系統傳輸速率，解決基地台架設限制、骨幹網路 (Backhaul)昂貴的

營運成本及新興地區有線寬頻網路不佳等環境限制問題。

IEEE 802.16j 規格主要是對於在 WiMAX 網路下資料中繼傳輸的能力進行規範，在此規 範裡定義了媒體存取控制層 (Medium Access Control Layer)及實體層 (Physical Layer)所 必須遵循的機制，其內容包括支援中繼台 (Relay Station)之實體層訊框結構、用戶端與中繼 台入網程序以及使中繼台與基地台同步並避免中繼台間相互干擾的機制；同時為了提升系統 服務效能，IEEE 802.16j 標準亦規範支援各種資料傳輸之路由管理機制、混合式自動重送請 求機制、中繼台群播機制及支援中繼台移動換手之機制等。 近年來，關於 WiMAX 的相關研究已經相當普遍，然目前在研究 WiMAX 的網路模擬工 具，都是研究者所自行開發的小型模擬器，有些無法與其他網路結合，且無法使用真實世界 的網路協定堆疊來進行模擬，其中多數的程式碼並不公開使用。雖然目前 IEEE 802.16j 尚 在草案階段，為了提供一個良好的研究網路模擬平台，我們在 NCTUns 網路模擬器上以現 有的 IEEE 802.16e 為基礎開發 IEEE 802.16j 網路協定，讓對 IEEE 802.16j 網路有興趣的 研究者，可以方便地取得模擬器進行更深入的研究與探討。 NCTUns 網路模擬器具有以下幾項特點：首先，模擬器使用真實世界的網路協定堆疊能 夠真實地將模擬結果呈現出來，其次，在模擬的網路拓樸上亦可執行真實世界的應用程式來 產生真實的封包及流量。另外，NCTUns 網路模擬器提供人性化的圖形操作介面 (GUI)並且 整合模擬環境的設定功能及相關模組參數設定，增加了操作的便利性。再加上由於 NCTUns 網路模擬器提供免費下載及開放程式碼架構，使用者可以很容易地在模擬器上增加新的網路 模組，或是修改既有的模組功能，對於研究方面有相當大的幫助。基於這些特點，我們在 NCTUns 網路模擬器上開發 IEEE 802.16j 中控型穿透式網路模組來提供使用者進行各方面 的研究。 以下為本篇論文的架構：在第二章裡，將簡單描述 IEEE 802.16 系列標準的相關背景與 WiMAX 模擬平台的文獻調查。第三章中，我們將分成媒體存取控制層與實體層兩個部份， 來介紹模組的設計與實作架構。第四章將進行模擬結果的驗證與效能評估。最後，在第五、 六章裡，我們將提出一些未來展望並總結本篇論文。

Chaper 2. Background

WiMAX 為一種微波和毫米波頻段的無線都會型網路技術，因利用高效率無線訊號 傳輸與處理技術，而具備傳輸距離最遠可達 50 公里長，傳輸速率最高可達 70 Mbps，能快 速布建及低成本等特性，適合中距離的無線傳輸服務，可作為無線高速接取網路的媒介。負 責制定 IEEE 802.16 標準的工作團隊，從 2001 年以來已經通過了以下幾個重要的版本： 802.16 (2001)、802.16c (2002)、802.16a (2003)、802.16d (2004)、802.16e (2005)。除了 上述幾個已經正式通過的規格外，目前還有 802.16m 和 802.16j 兩個標準草案正在密集的 訂定中，預計將在 2009 年出版正式的規格；前者主要是支援多重輸入多重輸出 (MIMO)的 技術並在高速移動網路下提供更高傳輸速率而且必須向下相容於舊有的 802.16e 網路架構； 後者則是為了解決現行 WiMAX 網路系統面臨的問題，包含電信業者獲得的頻譜有限、建築 物屏障限制形成覆蓋缺陷、資料流量不均、新興地區有線網路架構不足等因素。 IEEE Std 802.16 是所有 IEEE 802.16 系列標準裡最早被提出來的規格，主要使用的頻 帶是 10~66 GHz，訊號涵蓋範圍約 1~3 哩 (5 公里)。實體層是採用單一載波 (Single Carrier)的設計，通道頻寬使用範圍為 20~28 MHz，傳輸速度可達到 134 Mbps (當通道頻寬 為 28 MHz 時)。由於 IEEE Std 802.16 是使用較高的頻帶，於是 BS (Base Station，基地台) 與 SS (Subscribe Station，用戶端)必須進行可視性的傳輸。因此，本規格較不適用於一般家 庭與室內用戶。

IEEE Std 802.16a 是 802.16 的修訂版，主要使用的頻帶是 2~11 GHz，訊號涵蓋範圍 約 4~6 哩 (10 公里)。實體層則是採用正交分頻多工 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，以解決多重路徑的干擾問題，並支援非可視性傳輸。可使用的通道 頻寬為 1.5~20 MHz，傳輸速度可達到 70 Mbps (在通道頻寬為 20 MHz 時)。IEEE Std 802.16a 主要在強化 802.16 在用戶固接連網設備間的最後一段，以增加室內或社區用戶使用 WiMAX 網路的可行性，進而取代 Wi-Fi 無線上網。

IEEE Std 802.16d 合併 IEEE Std 802.16、IEEE Std 802.16a 及 IEEE Std 802.16c 三項 規格，並明確定義在固定式寬頻無線網路存取裡，各層間的協定與介面標準，包括媒體存取 控制層與多種不同的實體層規範。

IEEE Std 802.16e 加強了 IEEE Std 802.16d 的規範來支援 SS 的高速移動，並提出媒體 存取控制層的換手機制，整合固定式與移動式的寬頻無線網路存取，主要使用頻帶限制在低 於 6 GHz 的執照頻帶。針對行動通訊的需求，IEEE 802.16e 提出了一系列的省電機制，以 便用於行動裝置上；除了省電之外，也期望在時速 120 公里的速度下能順暢地保持通訊。實 體 層 採 用 正 交 分 頻 多 重 存 取 技 術 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access ， OFDMA)，將所有子載波分割成若干群組，稱為子通道 (Sub-channel)，分配給不同用戶使 用，並根據傳輸環境決定各子通道的子載波數。藉由子載波配置與可適性調變和編碼技術， 讓 OFDMA 實體層方便在通道變化較大的移動環境中傳輸資料。

  IEEE Std 802.16j 為以 IEEE 802.16e 點對點模式網路為基礎而延伸的規格，其目的為 在原本的移動式 WiMAX 架構下新增中繼台 (Relay Station)用來提供多段轉傳 (Multi-hop Relay)的功能，在此份規格之中，又將中繼台細分為穿透式 (Transparent mode)和非穿透式 (Non-transparent mode)兩種型態，此兩種中繼台最主要的差異在於穿透式中繼台不會轉送 基地台所傳送的廣播管理訊息 (DLMAP、ULMAP、DCD 與 UCD 等) 到下位的 (subordinate) 中繼台或用戶端；非穿透式中繼台則是會根據排程方式的不同自己傳送廣播管理訊息或是將 基地台所傳送的管理訊息轉送到下位設備台上。針對此種特性，在 IEEE 802.16j 規格中定 義穿透式模式的中繼台主要是用來提升整體傳輸速率，避免因地形或建築物屏障限制導致無 法接收無線訊號，或是接收無線訊號品質不佳而導致傳輸速率下降的情形；而非穿透式的中 繼台則是作為彌補原本基地台涵蓋範圍不足的缺陷，將此類型中繼台建置在基地台涵蓋範圍 的邊緣可以延伸基地台的涵蓋區域並且達到多段轉傳的特性。針對網路建置的需求中繼台類 型又被分為固定式中繼台 (Fixed Relay Station , 簡稱 FRS)、游牧式中繼台 (Nomadic Relay Station, 簡稱 NRS)和移動式中繼台 (Mobile Relay Station, 簡稱 MRS)。

(Mobile Station)的行為在此規格中並沒有過大的變動。但是，為了提供多段轉傳的功能，基 地台 (Base Station)與中繼台 (Relay Station)之間必須建立新的溝通管理協定，所以在傳統 的移動式 WiMAX 的基地台會被支援多段轉傳的基地台所取代，此種基地台在 IEEE 802.16j 規格中稱為多段轉傳基地台 (Multi-hop Relay Base Station , 簡稱 MR-BS)，且基地台必須 同時支援中繼台和用戶端的初始測距和入網程序；在此規格中，為了因應基地台設計複雜度 會隨著多段轉傳網路拓樸的成長而變大，所以將基地台的資源配置排程方式分成中控型 (centralized)和分散型 (distributed)排程兩種模式，在中控型排程下，於基地台涵蓋範圍內的 中繼台與用戶端統籌由基地台進行頻寬配置，而在分散型的排程下，則是透過基地台與中繼 台進行協同合作管理各自網路拓樸下的資源分配狀況。目前在 802.16j 規格中，根據上述基 地台和中繼台所支援的模式主要有兩種設計選擇方式：第一種為穿透式中繼台搭配中控型基 地台，此種多段轉傳 WiMAX 網路可以提供基地台至用戶端間經由中繼台進行二段式轉傳的 能力，主要的目地為提升基地台涵蓋範圍內整體的效能；另外一種設計則是由非穿透式中繼 台建置而成的網路，此種多段轉傳 WiMAX 網路可以提供轉傳個數超過二以上的網路拓樸建 置，並且可以支援中控型和分散型的基地台資源配置排程，用來延伸基地台的服務範圍並且 降低偏遠地區建置基地台所必須耗費的昂貴成本。 目前在 NCTUns 網路模擬器中已經有支援固定式的 802.16d 點對多點模式及網狀模式與 802.16e 點對點模式移動式 WiMAX 網路，本篇論文主要是針對 IEEE 802.16j 規格中所定 義的第一種方式多段轉傳 WiMAX 網路進行設計實作，所以我們將在 NCTUns 網路模擬器上 開發中控型穿透式 (Centralized scheduling-Transparent mode)中繼台網路的模組。

2.1 相關文獻

隨著越來越多國家與廠商積極投入 WiMAX 無線寬頻存取技術產業的研究與網路建置， 許多知名的公開性與商業性模擬器軟體都陸續支援 WiMAX 網路模擬的功能，包含 NS-2、 NCTUns、OPNET Modeler[16]與 QualNet[17]等。其中 NS-2 模擬器發源於美國加州柏克萊

大學，為運作在 Unix 作業系統下的公開模擬器軟體並且提供多種基本類型的網路模擬功能， 由於 NS-2 為開放程式碼的模擬器軟體，研究者可以透過在模擬器上開發新的模組來模擬不 同的網路協定，目前在 NS-2 模擬器上由使用者所自行開發的 WiMAX 網路模擬模組較著名 的為由台灣長庚大學資工系陳仁暉教授所帶領的分散式系統實驗室與資策會所進行研發的 CGU-III[11] 802.16d WiMAX 模組與美國國家標準局 (National Institute of Standards and Technology, NIST)在 NS-2 下所開發支援 802.16d 與 802.16e 的 NIST WiMAX 模組，目前 此模組已經被包含進 NS-2 網路模擬器中。除此之外，還有韓國科技技術學院 (Korea Advance Institute of Science and Technology, KAIST)的電腦網路實驗室在 NS-2 模擬器上開 發實體層與媒體存取控制層模組，使用跨層的設計方式來模擬 IEEE 802.16e OFDMA 系統 並適用於韓國地區的 WiBro 網路[12]。但是上述的模組，目前都還沒有支援多段轉傳 WiMAX 網路的功能。[15]為台灣科技大學由賴源正教授所指導的高速與無線網路實驗室中陳彥宏同 學在 NS-2 模擬器上所開發支援 IEEE 802.16j 的媒體控制層模組，此模組只支援簡單的路徑 規畫與基本的中繼台資料轉送的功能，並沒有根據 IEEE 802.16j 規格中所訂定的基地台排程 方式與中繼台的型式進行實作。 除了上述在 NS-2 模擬器上由使用者自行開發支援 WiMAX 網路模擬的模組外，在支援 WiMAX 網路模擬的 OPNET Modeler 與 QualNet 商業性模擬器軟體中，目前都尚未加入模 擬 IEEE 802.16j 多段轉傳 WiMAX 網路模擬的功能，其中，OPNET Tech.預計於 2009 年將 在 OPNET Modeler 模擬器中增加支援 802.16j WiMAX 網路模擬的功能。但是由於商用等級 軟體並不會開放原始程式碼，而且使用者必須支付龐大的授權費與維護費用，動輒幾十萬甚 至百萬的費用並不是一般研究單位所能負擔。

NCTUns 網路模擬器透過 tunnel 介面在同一台電腦上模擬多個網路設備，並使用真實網 路子系統的協定堆疊來進行模擬。另外，模擬器允許執行真實世界的應用程式來產生封包， 相對於前段所提的各種模擬器，NCTUns 提供更真實的網路封包與流量。目前在 NCTUns 5.0 版本中已經支援 IEEE 802.16d 點對點模式與網狀模式與 IEEE 802.16e 點對點模式移動式 WiMAX 網路協定。我們將以 NCTUns 模擬器目前的移動式 WiMAX 網路為基礎開發支援

IEEE 802.16j 穿透式中繼台網路的網路模擬環境。

以下，我們將介紹 IEEE 802.16 在媒體存取控制層與實體層中的分層架構及細節。

圖 2-1  IEEE 802.16 的分層架構

IEEE 802.16 定義了媒體存取控制層與實體層的兩個部份，分層架構如圖 2-1.所示。媒 體存取控制層共分成三個子層，分別是：

(1) 特定服務收斂子層 (Service-Specific Convergence Sub-layer)：透過 MAC 存取點 (SAP)接收上層所傳遞的下來 SDUs，並將接收的資料進行分類，按照資料的類型與 服務種類地不同而給予對應的連線設定。

(2) 通用子層 (MAC Common Part Sub-layer)：定義頻寬取得、連線建立、服務流程管 理的設定，並進行傳送資料前的各項溝通協調，將欲傳送的資料作分割或組合，及 對所接收的資料作重組並往上層遞交。

(3) 安全子層 (Security Sub-layer)：定義身份認證、金鑰交換、加密解密的設定，並確 保底層傳輸資料的安全性。

資料。 (2) WirelessMAN-SCa：用於 2~11 GHz 頻段，適合 LOS 的應用，並使用單一載波傳輸 資料。 (3) WirelessMAN-OFDM：用於 2~11 GHz 頻段，適合 NLOS 的應用，並使用正交分頻 多工技術。 (4) WirelessMAN-OFDMA：用於 2~11 GHz 頻段，適合 NLOS 的應用，並使用正交分 頻多重存取技術。

2.2 媒體存取控制層

2.2.1. 特定服務收斂子層

特定服務收斂子層位於媒體存取控制層的最上方，透過收斂子層服務存取點 (Service Access Point，SAP)與上層銜接，並提供服務。收斂子層具有以下幾項功能：

(1) 透過 SAP 接收上層協定所接收到的 SDUs (Service Data Units)。

(2) 將接收到的 SDUs 進行分類並封裝成 MAC 層封裝單元 PDUs (Packet Data Units)。

(3) 必要時針對 QoS 分類對 PDUs 執行進一步的處理。

(4) 將各類 PDUs 遞送至 MAC 的服務存取點，讓下層協定作進一步處理。

圖 2-2   收斂子層支援的封包類型  

目前在 IEEE 802.16 標準中定義了兩種收斂子層規範，分別是非同步傳輸模式 (Asynchronous Transfer Mode，ATM)與封包傳輸模式 (Packet CS)。ATM 收斂子層可提供 在既有的 ATM 網路架構下，使用 IEEE 802.16 媒體存取控制層進行資料傳輸。封包傳輸模 式下的收斂子層，則可針對以下四種類型的封包作分類，分別是：IPv4、IPv6、IEEE Std 802.3/Ethernet 及 IEEE Std 802.1Q，並將資料封裝起來供通用子層傳輸時使用。通用子層 僅須依照封裝起來的 PDUs 進行排程與傳送。圖 2-2 所呈現的是 IEEE 802.16 支援的收斂子 層類型。

2.2.2. 通用子層

通用子層負責媒體存取控制層的主要核心功能，包括頻寬管理與配置、連線建立與管理、 入網程序與換手機制等，並且將上層欲傳送的 SDUs，按照已分類的特定連線 (Connection) 中取出後封裝為 PDUs，再往下層遞送。在 IEEE 802.16j 點對點模式中，所有的資源統籌由 基地台進行配置管理，所有在此基地台涵蓋範圍的接收端均必須依據基地台的分配來進行資 料的傳送與接收。基地台分配頻寬資源是依據分時雙工 (Time Division Duplexing , TDD)的

模式以每一個訊框 (frame)為單位進行週期性的切換，分成下行子訊框和上行子訊框，前者 為基地台傳送資料給其下位接收端時間，後者則是提供給中繼台和用戶端傳送上行資料到基 地台的週期。在 IEEE 802.16j 規格中，新增了中繼台此項設備台來支援多段轉傳的功能，並 且於媒體存取控制層中增訂基地台與中繼台之間和中繼台與用戶端之間溝通控制的管理訊息。 此外，為了能在 TDD 模式下進行基地台至中繼台和中繼台至用戶端之間的封包遞送必須將 訊框再進行切割，根據傳送端和接收端的不同又再被細分存取地帶 (access zone)和中繼傳 輸地帶 (relay zone)，存取地帶代表用戶端和網入接取點 (network entry point)的傳輸區段， 中繼傳輸地帶則為中繼台與中繼台之間的資料傳輸區段。在下行資料傳送上，基地台會將欲 傳送的下行資料的分配記錄儲存在 DL-MAP 訊息中，下位的中繼台或用戶端會根據 DL-MAP 的管理訊息對下行子訊框中的資料進行分析，並且根據連線識別碼 (Connection ID)來接收資 料。而在上行資料傳送上，除了基地台所預留給所有下位中繼台和用戶端進行入網程序和頻 道測距使用的競爭頻道外，所有的中繼台和用戶端都必須遵循 UL-MAP 的管理訊息來進行傳 送，避免造成資料的遺失和碰撞。在 IEEE 802.16j 規格中，DL-MAP 訊息中記錄著下行存取 地帶和下行中繼地帶的資料分配狀態，而 UL-MAP 中則是記錄著上行存取地帶和上行中繼地 帶頻寬配置狀態。

2.2.2.1. MAC PDU 遞送方式

在 IEEE 802.16j 的媒體控制層中，根據基地台所使用的排程方式 (centralized 或 distributed)、中繼台的型態 (transparent 或 non-transparent)和網路拓樸所支援的多段轉傳 個數定義了兩種 PDU 的遞送方式 (forwarding scheme)，分別為通道模式 (tunnel-base mode)和連線識別碼模式 (CID-base mode)遞送方式。連線識別碼模式遞送方式適用於中控 型排程基地台搭配穿透式中繼台或非穿透式中繼台的多段轉傳網路拓樸；當在多段轉傳個數 超過二以上由分散型排程基地台搭配非穿透式中繼台的網路拓樸中，使用遞送方式則為通道 模式，以下為此兩種遞送方式的定義：

通道連線，在此模式傳送的 PDUs 必須以 relay MAC Header 進行封裝，每一個連線包含一 個通道識別碼 (Tunnel CID, 簡稱 T-CID)或管理通道識別碼 (Management Tunnel CID , 簡 稱 MT-CID)。前者用來遞送使用通道模式傳送的上層資料，後者用來傳輸媒體控制層的之間 溝通的管理訊息。在通道傳送的起點的設備台必須以 relay MAC Header 對於 PDU 進行封裝 和分割，而在通道出口的設備台則負責移除 relay MAC Header 並根據 PDU 的連線識別碼將 資料傳送至對應的接收端。 連線識別碼 (CID-base)模式遞送方式，使用此種模式進行PDU遞送的中繼台必須透過基 地台傳送特定的管理訊息給中繼台上並且於中繼台上維護一個轉送識別碼列表，當中繼台接 收到下行存取地帶或上行轉送地帶的封包時，再藉由比對轉送識別碼列表與接收到的PDU標 頭中的連線識別碼來決定是否進行轉送。

2.2.2.2. MAC 最小傳送單位封包結構

MAC PDU 由三個部分所組成，如圖 2-3，包括一個固定長度 48 位元的 MAC 標頭，接 續一個可變長度的 payload 和用來偵測錯誤的 CRC。其中 MAC 標頭是必備的欄位，payload 長度可為零、或包含管理訊息及上層資料，CRC 則是選擇性欄位。

圖 2-3 MAC PDU 結構

MAC 標頭分成 Generic MAC Header 和 MAC Header without payload 兩種型式。 Generic MAC Header 用來傳送資料和媒體控制層的管理訊息，適用於上行和下行方向傳輸， 其標頭欄位與內容，如圖 2-4 和表 2-1，根據需求此種 MAC 標頭型式可以包含多個子標頭 (sub-header)；子標頭存在於 MAC Header 和 payload 之間且型式根據 MAC 標頭裡的 Type 欄位代表不同的意義，如表 2-2。MAC Header without payload 分成 TYPE1 和 TYPE2 兩種

型式，為提供中繼台和用戶端與基地台進行特殊的請求和管理，此種 PDU 不包含 payload 和 CRC 欄位，其中型別 TYPE1 主要是用來提供下位中繼台和用戶端實施頻寬請求、頻道品 質偵測以及睡眠模式管理。型別 TYPE2 則是用在 Feedback Polling 相關的機制下使用。

圖 2-4 Generic MAC Header 欄位格式

表 2-2 Generic MAC Header 裡的 Type 欄位說明

在 IEEE 802.16j 網路拓樸中，當使用通道模式遞送方式傳送基地台和存取中繼台之間的 資料時，必須使用 relay MAC Header 進行封裝，如圖 2-5，relay MAC Header 與原本的 Generic MAC Header 相似，由 relay MAC header、payload 和偵測錯誤的 CRC 欄位，其 中 payload 部分是由多個 MAC PDU 所組成，必須注意的是若在 relay MAC header 中包含 CRC 欄位，則包含在 payload 中原本 MAC PDU 的 CRC 欄位必須被省略。圖 2-6 與表 2-3 為 relay MAC Header 所新增欄位所代表的意義。如同一般性 MAC PDU 結構，在 relay MAC header 與 payload 亦可以存在一個或多個子標頭用來提供基地台和中繼台特殊需求的應用， 其型別如表 2-3 中所示。

圖 2-6 Relay MAC Header 欄位格式

名稱 長度/bit 描述

EC/AC 1 對T-CID連線加密控制 : 1 = 加密, 0 = 不加密 對MT-CID連線加密控制 : 1 = 加密, 0 = 不加密 RMI 1 Relay mode indicator = 1

ASH 1 Allocation subheader : 1 = 包含, 0 = 不包含

GMSH 1

上行 : Grant management subheader : 1 = 包含, 0 = 不包含 下行 : 0 = reserved FSH 1 Fragmentation subheader : 1 = 包含, 0 = 不包含 PSH 1 Packing subheader : 1 = 包含, 0 = 不包含 QSH 1 QoS subheader : 1 = 包含, 0 = 不包含

表 2-3 Relay MAC Header 新訂定欄位說明  

2.2.2.3. 連線識別碼

-Oriented)的連線來達成，每條連線由 16 位元的連線識別碼 (Connection identifier, 簡稱 CID)作為基地台辨識設備台身分的連線識別。在規格中，除了為傳輸特定管理訊息保留的連 線識別碼之外，如：基地台傳播廣播訊息所使用的 Broadcast CID、中繼台與用戶端進行初 始測距所使用的 Initial Ranging CID 外，一般的中繼台與用戶端會在順利完成入網程序後會 與基地台建立兩組基本的連線，分別為 Basic CID 及 Primary Management CID。Basic CID 主要是用來傳送長度較短且具有即時性的管理訊息；Primary Management CID 則是用來傳 送長度較長且能容忍時間延遲的管理訊息。此外，為了提供特殊需求所使用尚有第三組 Secondary Management CID 連線，此組連線會在中繼台或用戶端為 managed RS 或 managed MS 時被建立。 除此之外，當上層有資料必須透過基地台與用戶端之間傳輸時，必須另外建立一組連線 識別碼用來負責接收與傳送上層的資料，此類型連線識別碼稱為 Transport CID。表 2-4 僅 列出重要且目前有支援的連線識別碼範圍，其中在表中的 m 值所代表為基地台可以支持的中 繼台與用戶端個數，此值在規格中並沒有明確定義，是由開發基地台的廠商自行訂定。 表 2-4 連線識別碼配置範圍 (CID)  

2.2.2.4. MAC 管理訊息

IEEE 802.16 中，基地台、中繼台與用戶端之間的溝通必須透過規格中所訂定的 MAC 管理訊息來進行，此訊息會被媒體控制層封裝成 PDU 儲存在 payload 中。在規格中訂定的 管理訊框主要由三部分所構成，分別為管理型別 (Type)、管理訊息內容 (payload)和 TLV。 其中管理訊息內容與 TLV 根據型別的不同其訊息大小也會有所改變。圖 2-7 為目前我們在模

擬器上實作的管理訊息格式的架構。

  圖 2-7 管理訊息的欄位格式

當基地台與中繼台和用戶端之間必須進行管理訊息交換時，由媒體控制層負責封裝管理 訊息並加上 Generic MAC Header 和 CRC 封裝成 MAC PDU，然後再分配至對應的接收端 的連線佇列等待傳送。在 IEEE 802.16j 媒體控制層規格中，為了支援多段轉傳的功能，新增 了 29 個新的管理訊息型別作為 MR-BS/RS 與 RS/MS 間進行溝通使用，表 2-5 為目前為了 支援 WiMAX 中控型排程穿透式中繼台網路而在模擬器上有實作的管理訊息

表 2-5 管理訊息類型與描述

   

Type 

Message name 

Message description 

connection 

0  UCD  Uplink Channel Descriptor  Broadcast 

1  DCD  Downlink Channel Descriptor  Broadcast 

2  DL‐MAP  Downlink Access Definition  Broadcast 

3  UL‐MAP  Uplink Access Definition  Broadcast 

4  RNG‐REQ  Ranging Request  Initial Ranging or Basic 

5  RNG‐RSP  Ranging Response  Initial Ranging or Basic 

6  REG‐REQ  Registration Request  Primary Management 

7  REG‐RSP  Registration Response  Primary Management 

11  DSA‐REQ  Dynamic Service Addition Request  Primary Management 

12  DSA‐RSP  Dynamic Service Addition Response  Primary Management 

13  DSA‐ACK  Dynamic Service Addition Acknowledge  Primary Management 

26  SBC‐REQ  SS Basic Capability Request  Basic 

27  SBC‐RSP  SS Basic Capability Response  Basic 

36  REP‐REQ  Channel measurement Report Request Basic 

37  REP‐RSP  Channel measurement Report Response  Basic 

53  MOB_NBR‐ADV  Neighbor Advertisement Message  Broadcast or Primary 

54  MOB_SCN‐REQ  Scanning Interval Allocation Request  Basic 

55  MOB_SCN‐RSP  Scanning Interval Allocation Response  Basic 

57  MOB_MSHO‐REQ  MS HO Request Message  Basic 

58  MOB_BSHO‐RSP  BS HO Response Message  Basic 

59  MOB_HO‐IND  HO Indication Message  Basic 

60  MOB_SCN‐REP  Scanning Request Report Message  Broadcast or Primary 

72  MR_RNG‐REP  MR Ranging report  RS Basic 

74  RS_Config‐CMD  RS configuration command  RS Primary Management 

80  MS_INFO‐DEL  MS context information delete  RS Basic 

90  RS_Member_List_Update  RS group member list update  RS Basic 

2.2.2.5. 入網程序與初始測距

在多段轉傳 WiMAX 網路中，中繼台與用戶端在初始化時均必須透過入網程序 (Network Entry)向基地台請求提供服務，基地台再根據入網程序的流程與之建立必要的連線，以下我 們將針對用戶端與中繼台執行入網程序的流程進行介紹。 首先，我們將先說用戶端入網程序的流程。當一個用戶端欲加入由基地台涵蓋範圍所提 供的服務時，必須先進行入網程序與基地台先行取得同步資訊之後，再跟基地台請求提供連 線服務。入網程序由一連串基地台與用戶端之間管理訊息的交換所達成，基地台會與用戶端 建立連線並且提供用戶端所需的服務，圖 2-8 為用戶端與基地台執行入網程序所進行的流程， 主要包含以下幾個步驟： (1) 掃描基地台下行頻道並與之進行同步 (2) 獲得上行參數 (3) 進行初始測距 (4) 與基地台協調基本能力 (5) 認證與金鑰交換 (6) 進行註冊 (7) 取得 IP 連線位址 (8) 與基地台進行時間同步，取得目前時間 (9) 傳送操作參數 (10) 建立連線 當用戶端進行入網程序時，首先必須掃描鄰近基地台所使用的頻道，並且接收由基地台 所廣播的 DL-MAP 訊息並與之進行同步取得基地台所提供的連線相關管理訊息，如 DCD、 UCD 與 UL-MAP。當用戶端可以持續接收到基地台所發送的 DL-MAP 訊息，表示用戶端已 經與基地台達成同步，透過 UL-MAP 上的基地台所提供的資訊，用戶端於基地台所提供的上 行競爭頻道進行初始測距 (Initial Ranging)與基地台請求連線服務。

行初始測距時會從基地台所提供的初始測距碼中選定一組 CDMA 測距碼與基地台進行連線 請求，基地台根據接收到的測距碼進行分析並且將連線請求所需的校調參數和結果以媒體控 制層管理訊息 RNG-RSP 回覆給傳送端，用戶端再根據基地台所回覆的訊息執行相對應的動 作。在多段轉傳的網路架構下，用戶端執行初始測距的存取台可能為基地台或是經由中繼台 與基地台進行入網程序。 根據基地台的排程方式與中繼台的型式的不同，基地台和中繼台之間傳遞的用戶端管理 訊息方式亦有所不同。由於本篇論文主要是針對二段式中控型穿透式中繼台網路進行實作模 擬，在此我們主要介紹在此種網路架構下，基地台與中繼台的管理訊息溝通方式。在中控型 穿透式中繼台網路下，於基地台服務範圍下的中繼台必須監聽用戶端在競爭頻道上發送的 CDMA 測距碼，當中繼台收到用戶端發送的 CDMA 測距碼時再進行對應的傳輸功率和時間 作校調並且將所校調的 CDMA 測距碼封裝成 MR_RNG-REP 管理訊息傳送至基地台。在多 段轉傳 WiMAX 網路下，當基地台接收到由用戶端直接傳送的 CDMA 測距碼或經由中繼台轉 發的 MR_RNG-REP 管理訊息時，必須等待 6 個訊框的傳送間隔來收集經由中繼台所轉發的 MR_RNG-REP，基地台再根據所收集到的初始測距碼決定此用戶端最適合的傳送路徑，然 在 IEEE 802.16j 規格中並沒有定義決定用戶端最佳路徑的演算法，此部分是由開發的廠商自 行訂定。若基地台決定選擇以中繼台作為用戶端的存取台，則中繼台必須接收由基地台與用 戶端後續的 Network Entry 管理訊息，並進行轉發至用戶端與基地台。當基地台決定選擇中 繼台作為用戶端的存取端，基地台必須傳送 RS_Member_Update_List 管理訊息給中繼台， 更新中繼台上的連線識別碼列表，建立基地台與用戶端的連線。圖 2-8 為用戶端在中控型穿 透式中繼台網路拓樸下進行初始測距的流程圖。

當 初 始 測 距 順 利 完 成 後 ， 基 地 台 會 配 置 兩 組 連 線 識 別 碼 (Basic CID 與 Primary Management CID)給予用戶端，作為入網程序後段傳送管理訊息的連線識別。用戶端會分別 使用此兩組連線識別碼與基地台進行協調基本功能 (SBC-REQ、SBC-RSP)和金鑰交換與認 證註冊 (REG-REQ、REG-RSP)，在實作中我們將忽略金鑰交換與認證的步驟直接於基地台 進行註冊。取得 IP 位址、時間資訊及轉換操作參數是屬於選擇性的實作項目，只有當 MS 是

Managed MS 時才需執行，於是我們將略過此步驟。當用戶端成功與基地台完成註冊程序後， 再透過 DSA-REQ、DSA-RSP 管理訊息建立資料傳輸連線整個用戶端的入網程序才算完成。

 

圖 2-9 用戶端於穿透式網路下之初始測距流程

2-10，以下為中繼台在進行入網程序的主要程序步驟： (1) 掃描基地台下行頻道並與之進行同步 (2) 執行第一階段存取台 (access station)的選取 (3) 獲得上行參數 (4) 進行初始測距 (5) 與基地台協調基本能力 (6) 認證與金鑰交換 (7) 進行註冊 (8) 取得鄰近設備台的訊號量測 (9) 執行第二階段存取台的選取 (10) 路徑與通道的建立 (11) 取得 IP 連線位址 (12) 與基地台進行時間同步，取得目前時間 (13) 傳送操作參數 (14) 設定中繼台的操作參數 除了上述 (2)、(8)、(9)、(10)、(14)步驟，中繼台進行 Network Entry 的程序大部分與用 戶端相同，其中 (8)、(9)、(10)在規格中為選擇性支援項目，基地台可以透過回覆 RNG-RSP 時，設定中繼台 Network Entry Optimization 通知中繼台在進行 Network Entry 決定是否省略此部分步驟。

  圖 2-10 中繼台 Network Entry 流程圖 步驟 (8)、(9)、(10)為支援中繼台在多段轉傳的網路拓樸下，新加入的中繼台能夠根據 頻道訊號的強弱選擇最佳的非穿透式中繼台作為存取台，並建立中繼台到基地台間的傳輸路 徑，由於本篇論文主要在實作二段式穿透式中繼台的 WiMAX 網路，且在此種網路拓樸下， 中繼台並不會傳送廣播管理訊息，所以當中繼台執行入網程序時，存取台的選取必定為基地

台，我們將省略第二階段存取台選擇的實作。當中繼台完成初始化後，必須掃描鄰近基地台 所服務的頻道，並且取得基地台所廣播的管理控制訊息與基地台進行同步，透過基地台和鄰 近非穿透式中繼台所傳送的 DCD 管理訊息中的 End-To-End Metric 進行第一階段存取台選取， 決定經由哪個存取台執行入網程序。當完成第一階段存取台選取後再於競爭頻道傳送中繼台 用來進行初始測距的 CDMA 測距碼與基地台進行初始測距，並且進行與用戶端入網程序一樣 的流程直到完成與基地台進行註冊的入網步驟，當中繼台順利取得基地台相關的連線服務並 進行註冊後，基地台會根據中繼台的操作參數對中繼台支援的模式進行連線參數設定，並且 傳送 RCD 和 RS_Config-CMD 管理訊息至執行入網程序的中繼台進行中繼台相關參數的設 定，當中繼台成功接收到基地台的連線參數設定後再回覆 MR_Generic-ACK 管理訊息來完成 中繼台的入網程序流程。由於中繼台在多段轉傳 WiMAX 網路中的角色為中繼轉送的設備台， 在進行入網程序時只會與基地台建立用來管控此中繼台的管理控制連線 (Basic 、Primary Management 與 Secondary Management 連線)，並不會建立用來傳送上層資料的資料連線。

2.2.2.6. 定期測距

定期測距為中繼台和用戶端用來與基地台進行定期的溝通以維持傳輸品質的一種測距流 程。定期測距主要由中繼台或用戶端發起，根據基地台所配置的定期測距傳輸機會由定期測 碼範圍中選定一組 CDMA 測距碼，並且在基地台所配置的測距頻道上進行傳送，當基地台接 收到定期測距碼後，再將須校調的功率與時距封裝成 RNG-RSP 進行回覆。中繼台與用戶端 在接收到 RNG-RSP 訊息會依據狀態結果執行相對應的時序校調與功率調整。 如同用戶端執行初始測距流程，中繼台必須監聽由用戶端所發送的定期測距碼，當中繼 台收到定期測距碼時亦必須將其封裝 MR_RNG-REP 訊息傳送至基地台，讓基地台可以根據 所收集的中繼台的管理訊息定期變換用戶端的傳送路徑，以維持最好的傳送速率，圖 2-11 為 WiMAX 多段轉傳網路下用戶端進行定期測距碼傳送所需遵循的流程。

圖 2-11 用戶端於穿透式網路下之定期測距流程  

2.2.2.7. 換手機制與換手時機

在移動式 WiMAX 網路下，為了提供行動式用戶端進行換手 (Handover)的機制，在 IEEE 802.16e 媒體控制層中定義了基地台管理網路拓樸的機制與用戶端執行換手所需的程序。由 於 IEEE 802.16j 規格為移動式 WiMAX 的延伸，所以在此種網路中必須支援用戶端可移動性 的能力，且為了提供中繼台可移動性的能力，在規格中還訂定了中繼台的換手機制與時機， 但是在目前第五版的草案中對於中繼台的換手機制尚未有明確的程序，且中繼台於多段轉傳 網路中進行換手的機制還存在很多議題，目前的實作上我們將僅支援固定式的穿透式中繼台 和可移動式的用戶端，於是在此小節我們將只針對移動式用戶端的換手程序與時機進行介

紹。 為 了 能 獲 得 移 動 式 網 路 下 網 路 的 拓 樸 ， 基 地 台 可 以 藉 由 骨 幹 網 路 或 廣 播 MOB_NBR_ADV 管理訊息來取得鄰近基地台的資訊，以方便用戶端進行換手機制時使用； 用戶端則是經由傳送 MOB_SCN_REQ 請求基地台配置其掃描鄰近基地台的訊號品質，基地 台於收到用戶端的頻道掃描請求後再回覆 MOB_SCN_RSP 分配用戶端進行鄰近基地台頻道 掃描，用戶端會在掃描完成之後將所收集到的資訊以 MOB_SCN_REP 傳送回基地台，提供 基地台取得用戶端鄰近的網路拓樸作為執行換手決策使用。在多段轉傳 WiMAX 網路下，若 用戶端的存取台為中繼台時，則中繼台必須幫忙轉送換手機制的管理訊息。 換手程序表示用戶端由服務中的基地台 (Serving BS)切換到目標基地台 (Target BS)， 又分為先斷後連 (Break before Make)的硬式換手 (Hard Handover)和先連後斷 (Make before Break)的軟式換手 (Soft Handover)；前者在換手時會先與服務中的基地台中斷連線， 再與目標基地台進行連線，所以可能會造成資料遺失。後者則是會先與目標基地台建立連線 之後，再中斷服務中基地台的連線。硬式換手為必須項目而軟式換手為選擇項目。但規格中 並未明確的指定用戶端進行換手決策演算法，只列舉了兩種用戶端執行換手程序的時機： i. 當用戶端遠離所提供服的基地台而進入另外一個訊號強度較好的基地台時 ii. 當用戶端發現目標基地台能夠提供其更好的傳輸品質與效能時 圖 2-12 為用戶端進行換手時的程序，主要包含以下幾個步驟： (1) 基地台重新選擇。 (2) 換手決定與初始化。 (3) 與目標基地台進行同步。 (4) 測距與網路重新加入。 (5) 終止先前服務。 用戶端換手的決定權可以是由基地台或是用戶端，分別經由 MOB_BSHO_REQ 或 MOB_MSHO_REQ 觸發換手程序。當用戶端滿足換手決策的條件，並且選定目標基地台之 後，用戶端必須與目標基地台進行 Network Re-entry，請求目標基地台提供服務，服務中的

基地台會保留用戶端的資訊於 Resource Retain Time 期滿之後才將相關的連線資訊清除，避 免用戶端請求目標基地台服務失敗時，必須對原本提供服務的基地台進行入網程序。在多段 轉傳 WiMAX 下，基地台必須對於中繼台上所儲存的用戶端連線資訊進行管理，所以若用戶 端的存取台為中繼台時，當用戶端滿足換手決策的條件或 Resource Retain Time 期滿後，基 地台必須傳送 MR_INFO_DEL 管理訊息來清除中繼台上用戶端的連線資訊。 在 IEEE 802.16j 規格中，新增對於中繼台相關的換手機制，在非穿透式中繼台網路拓樸 下，用戶端有可能在基地台的涵蓋範圍之外，所以非穿透式中繼台必須廣播 MOB_NBR_ADV 管理訊息，通知在非穿透式中繼台管理下的用戶端網路拓樸的資訊。而在穿透式中繼台網路 拓樸下，用戶端必須在基地台的涵蓋範圍，所以穿透式中繼台僅需轉送由基地台發送至用戶 端的換手機制相關的管理訊息。在 IEEE 802.16j 規格中，根據應用需求中繼台又分為固定式、 游牧式和移動式中繼台，其中為了提供中繼台支援可移動性，在規格中對於此類型中繼台亦 訂定了相關的換手時所必須遵守的流程，包括對入網重新加入、路徑重新規劃以及用戶端連 線識別碼重新配置等，由於本篇論文中目前所實作的中繼台為固定式穿透式中繼台，關於移 動式中繼台的換手機制將留至未來在進行加強，在此將不多加贅述。

圖 2-12 用戶端換手機制下重新入網程序  

2.2.3. 安全子層

安全子層負責 IEEE 802.16 網路傳輸封包的加密機制，主要由兩個元件協定所構成，分 別為資料加密協定與金鑰管理協定。資料加密協定提供在無線網路上傳輸封包資料之安全性， 包含了一系列的加密和認證演算法。金鑰管理協定提供用戶端、中繼台與基地台之間金鑰分 發之安全性。在 IEEE 802.16j 中，資料傳輸是經過多段轉傳的方式進行傳送，根據排程的方 式不同和資料傳輸安全性的考量又區分成基地台與中繼台、中繼台與中繼台、中繼台與用戶 端的封包加解密與金鑰認證。由於安全子層的實作在規格中是非必要的，且此層的功能不會

影響整體效能，我們在模組中的實作將不考慮實作此層的功能。

2.3 實體層

實體層為 WiMAX 網路系統架構下的最底層，實體層經由服務存取點接收由媒體控制層 所傳遞下來的資料，並經由無線介面傳送到空氣介質中。在 IEEE 802.16 中，針對不同環境 訂定了兩種使用頻段：10~66 GHz 和 2~11 GHz 及四種不同的實體層介面規範，分別是 WirelessMAN-SC、WirelessMAN-SCa、WirelessMAN-OFDM、WirelessMAN-OFDMA 四 種模式。其中 SC 適用於 10~66 GHz 頻帶，而其餘三種則適用於 2~11 GHz 頻帶。傳輸方 面 SC、SCa 適用於 LOS 傳輸，OFDM 與 OFDMA 則是用於 NLOS 傳輸。在固定式 WiMAX 網路裡，實體層主要是使用 OFDM 為基礎實作；而在移動式 WiMAX 網路下，OFDMA 實體 層搭配分時雙工 (TDD)是主要的操作模式。由於 IEEE 802.16j 規格是根據 IEEE 802.16e 點 對點模式網路的延伸，其實體層主要亦是以 OFDMA 為基礎並且搭配分頻雙工 (FDD)或分時 雙工 (TDD)兩種模式進行操作。本篇論文所使用的實體層為 OFDMA 搭配 TDD 方式進行實 體層網路實作模擬。

2.3.1. 正交分頻多重存取

  正交分頻多重存取 (OFDMA)主要的訴求在於原本的正交分頻存取技術上提供移動式應 用，其特點包含藉由 OFDM 有效對抗通道多重路徑效應與提高資料傳輸效率，並且支援與 OFDM 相同的調變方式。OFDMA 採用的是分頻的 FDMA 技術，並且支援可變的 (scalable) 頻寬機制，其功能為根據通道狀況改變系統頻寬與次載波數，運作原理是將所有子載波 (subcarrier)分割成若干群組，稱為子通道 (sub-channel)，分配給不同用戶使用，每個用戶 允許使用多個子通道進行傳輸，並根據傳輸環境狀況決定各個次通道的子載波數，使得不同 的用戶可以在同一時間進行傳輸；另外藉由子載波配置 (subcarrier allocation)與適應性調變 和編碼 (Adaptive Modulation and Coding, AMC)技術，可以讓 OFDMA 之實體層方便在通道

變化較大的移動環境中傳送資料。在 IEEE 802.16 規格中支援四種 FFT-size，分別是 128、 512、1,024、2,048，表 2-6 是在 WiMAX 裡所使用的 OFDM 參數[5]。 Parameter Fixed WiMAX OFDM-PHY

Mobile Multi-hop Relay WiMAX Scalable

OFDMA-PHY

FFT size 256 128 512 1,024 2,048

Number of used data subcarriers 192 72 360 720 1,440

Number of pilot subcarriers 8 12 60 120 240

Number of null/guard band subcarriers 56 44 92 184 368 Cyclic prefix or guard time T /T 1/32, 1/16, 1/8, 1/4

Oversampling rate F /BW

Depends on bandwidth: 7/6 for 256 OFDM, 8/7 for multiples of 1.75 MHz, and 28/25 for multiples of 1.25 MHz, 1.5MHz, 2

MHz, or 2.75 MHz

Channel bandwidth (MHz) 3.5 1.25 5 10 20

Subcarrier frequency spacing (kHz) 15.625 10.94

Useful symbol time µs 64 91.4

Guard symbol duration µs 8 11.4

OFDM symbol duration µs 72 102.9

Number of OFDM symbols in 5 ms frame 69 48.0

表 2-6 OFDMA 實體層相關參數  

2.3.2. 可適性調變與通道編碼

相較於傳統的無線網路所使用的固定式調變技術，WIMAX 支援可適性 (scalable)調變技 術，基地台與用戶端之間會依據距離的遠近來變換調變技術以維持最佳的傳輸品質，目前在 IEEE 802.16 中支援三種調變機制分別為：QPSK、16-QAM、64-QAM。當訊號品質良好時， 可使用較有效率的 64-QAM 來增加傳輸量，若是在訊號品質不佳的情況下，則可選擇較不易 受干擾的 QPSK，來抵抗雜訊。 通道編碼為對原始資料進行一連串的編碼技術，提高資料傳輸的正確性。在 WiMAX 規 格中通道編碼主要分成四個步驟： (1) Randomization。

(2) FEC Encoding。 (3) Bit Interleaving。 (4) Repetition。

資料於傳送端實體層會按照此步驟依序對資料進行編碼，接收端實體層則反序將編碼過後的 資料重組回原始資料再經由服務存取點往媒體控制層遞送，如圖 2-13 所示。Randomization 是透過PRBS (pseudo-random binary sequence)的亂數產生器來將資料攪亂，可以使輸出的 信號零與一的個數幾乎相同讓信號具有隨機性。FEC Encoding則是使用迴旋碼 (Tail-biting convolution code)對資料進行編碼，而藉由編碼的特性，接收端可以有效地糾正在傳輸過程 中發生錯誤的位元，其編碼率依照不同需求有1/2、2/3、3/4三種。完成FEC編碼的資料，必 須再經過交錯器及重複編碼後，才能將數位資料透過調變送出，其中重複編碼是選擇性實作 項目。表 2-7 為1,024 FFT-size下，使用不同調變機制搭配不同的FEC編碼率下，每個slot 可以傳送的資料量，為目前OFDMA實體層所使用的參數。 圖 2-13 實體層傳送與接收的調變與編碼流程  

表 2-7 不同 FEC 下的單位 slot 傳輸量  

2.3.3. 二段式穿透式中繼台網路訊框架構

Slot 為 OFDMA 實體層配置資料單元的最小單位，由時間軸上的 OFDMA symbol 個 數與頻率軸上的子通道 (sub-channel)所組成，且根據所使用的排列區帶 (Permutation zone)的不同，每一個 slot 於上行和下行所佔用的 symbol 個數亦不一樣。例如，在 PUSC 排列區帶下，下行訊框單位 slot 由兩個 symbols 與一個子通道所構成，而上行訊框單位 slot 由三個 symbols 與一個子通道所構成。 為了支援多段轉傳的功能，在 IEEE 802.16j 規格中重新訂定了基地台的訊框架構，並 且新增對於中繼台的訊框架構，用戶端方面的訊框架構則根據基地台的排程僅能在規定的 區段進行傳送和接收資料。在規格中根據中繼台型式與所支援的多段轉傳 hop count 個數 的不同訊框設計的架構也會不同，我們在此僅針對二段式穿透式中繼台網路的訊框設計架 構進行說明。如同原本 Mobile WiMAX 的訊框架構，訊框的分配是採用分時多工方式進行， 每個訊框由下行子訊框和上行子訊框所構成，根據傳送端與接收端的不同，訊框區間又被 區分成多個不同的地帶 (zone)。在二段式穿透式中繼台網路拓樸中，下行子訊框包含兩個 地帶，分別為下行存取地帶 (DL access zone)與下行穿透地帶 (DL transparent zone)；上 行子訊框亦被分割成兩個地帶，由上行存取地帶 (UL access zone)與上行轉送地帶 (UL

relay zone)組成。圖 2-14、2-15，分別代表在二段式穿透式中繼台網路拓樸下，基地台與 中繼台於 TDD 模式下的訊框架構。其中下行存取地帶為基地台分配用來傳送下行資料至 用戶端或透過中繼台轉傳的資料至中繼台的時間區段，下行穿透地帶為中繼台傳送須轉傳 資料至用戶端的時間區段；上行存取地帶是配置給用戶端傳送上行資料至基地台或中繼台 的時間區段，上行轉送地帶則為中繼台將需轉送的用戶端資料傳送到基地台的時間區段。 圖 2-14 二段式穿透式網路下 MR-BS 訊框架構   圖 2-15 二段式穿透式網路下 RS 訊框架構 在基地台的下行存取地帶包含一個前置符號 (Preamble)用來進行基地台、中繼台與用 戶端間的時序同步；緊接著由訊框控制標頭 (FCH)和 DL-MAP 所組成，FCH 使用 QPSK1/2 通道編碼調變方式並儲存 DLFP 訊息，記錄其後的 DL-MAP 所使用的調變技術和訊息長度， 提供中繼台與用戶端對 DL-MAP 進行通道解碼取得下行子訊框中存取地帶和穿透地帶的

burst 配置方式。DL-MAP 訊息裡儲存的是下行存取地帶中 burst 的配置狀況，包含其佔用 的子通道個數、symbol 持續時間及其所使用的調變編碼技術，在中控型穿透式網路拓樸下， 當下行子訊框中存在下行穿透地帶時，在 DL-MAP 訊息中會儲存中繼台於下行穿透地帶轉 送資料的 burst 所使用的編碼和調變方式，提供用戶端對下行穿透地帶所傳送的資料進行 解碼分析。下行存取地帶的最後區段為免競爭區段包含由不同調變和編碼技術所組成的 burst，每一個 burst 中由媒體控制層所封裝 PDUs 所組成，包含傳送至用戶端和必須經由 中 繼 台 所 轉 送 的 管 理 訊 息 和 上 層 所 傳 輸 的 封 包 ， 其 中 由 基 地 台 所 傳 輸 的 重 要 廣 播 (UL-MAP、DCD、UCD 等)訊息會使用抗雜訊最好的調變技術和編碼方式在第一個 burst 進行傳輸，避免中繼台和用戶端因為資料錯誤或遺失而造成通訊中斷。下行穿透地帶主要 是配置予中繼台進行下行傳送資料轉送的傳輸區段，當基地台沒有任何資料須透過中繼台 進行轉傳的時候，此區段有可能不存在，此時基地台可以使用整個下行子訊框進行資料傳 輸 。 當 基 地 台 必 須 透 過 中 繼 台 傳 送 資 料 至 用 戶 端 時 ， 基 地 台 必 須 在 DL-MAP 的 STC_DL_ZONE_IE()管理訊息中指示此訊框中包含下行穿透地帶的配置，當用戶端接收到 後中繼台所轉送下來的 burst 後，根據 DL-MAP 訊息中的下行穿透地帶的 burst 配置方式 對中繼台傳送的資料進行分析，且在單一全向性天線機制下的基地台於此地帶不能進行資 料傳輸，避免造成用戶端的資料受到干擾或遺失。 上行存取地帶為用戶端傳送上行資料至基地台或中繼台，在此區段中包含一段特定的 競爭子通道，用來提供給用戶端進行初始測距、定期測距、頻寬請求及換手測距等項目與 中繼台進行初始測距，中繼台和用戶端在此競爭頻道上進行測距有可能發生碰撞，當發生 碰撞時，必須以二元倒退法在接下來的訊框中等待傳送的機會。基地台會在 UL-MAP 中夾 帶用戶端於上行存取地帶傳送資料的時機和中繼台於上行轉送地帶進行資料轉送的區段， 當用戶端於下行訊框中收到 UL-MAP 之後，再於基地台所配置的子通道上進行傳輸。中繼 台於上行存取地帶不能進行資料傳輸。最後一個地帶為上行轉送地帶，此地帶為基地台配 置予中繼台進行用戶端上行資料的轉送的區段，當中繼台於 UL-MAP 中收到基地台所配置 的時間區段時，將會在上行轉送地帶傳送用戶端的資料至基地台，除此之外，於此地帶中

亦包含一段測距子通道，為基地台分配提供中繼台進行定期測距、頻寬請求及換手測距的 競爭頻道。

Chaper 3. 設計與實作

在本章一開始我們會先介紹 NCTUns 網路模擬器平台的設計與模組架構，並以一簡 單範例作為說明；接著，我們將介紹模擬 IEEE 802.16j 中控型穿透式網路協定在點對多點模 式時，系統所支援的網路拓樸與節點。最後，我們將詳細說明各協定模組的設計與實作方法， 包括媒體存取控制層與實體層的設計實作概念。

3.1. NCTUns 網路模擬器平台設計與模組架構

NCTUns 網路模擬器主要由模擬引擎、協定模組化設計架構與圖形化介面三個部分所構 成。模擬引擎為 NCTUns 網路模擬器的主要核心部分，其功能為進行網路模擬中模擬事件的 建立、排程與執行、計時器的管理與網路封包的組成等，除了上述基本功能外，在模擬引擎 中還支援特定的 API，作為在模擬器上實作網路協定模組的使用者與 UNIX 系統核心進行溝 通的介面。在 NCTUns 模擬器上提供協定模組化設計，不同的網路協定可以經由連結多個模 組所構成，網路研究者可以很方便地在 NCTUns 網路模擬器上增加新的網路模組，或修改目 前模擬器中既有的模組，並搭配其他網路模組來進行相關的模擬及研究。第三部份，為了方 便使用者在模擬器上規劃網路拓樸，在 NCTUns 網路模擬器上支援圖形化的操作介面，使用 者透過此介面可以很容易設定網路拓樸上的網路節點，包括模擬環境及各模組細部的參數等， 並減少規劃網路拓樸與設定時所需的時間。以下我們將介紹 NCTUns 網路模擬器在模組架構 方面的設計。

圖 3-1 NCTUns 裡的模組堆疊架構

圖 3-1.是在 NCTUns 網路模擬器裡，兩個 Host 節點透過一個 Switch 節點相連時的模組 堆疊架構。模擬器裡的 Host 具有一個有線網路的介面，其模組堆疊由上到下分別是 Interface 模組、ARP 模組、FIFO 模組、802.3 模組、PHY 模組及 Link 模組等。從發送封包的角度 來看，Host 上執行的應用程式所送出的封包從應用層往下層遞送，經過作業系統的網路層後 送往 interface，這段過程都是由真實系統的流程來處理。封包進入 interface 後如圖 3-1.所看 到的，經過幾個模組的處理之後才從 Link 送出，這是以封包送出的角度來看。若是以接收封 包的角度來看，則是對方藉由 Link 所送過來的封包，會先到達 PHY 模組，再經由 802.3 模 組往上層遞交，直到該封包被接收完畢。對 Host 而言，封包最後會經由 tunnel interface 進 入 kernel space，由 kernel 來決定封包的去向；若接收端為 Switch，因為 Switch 是第二層 的網路設備，所以是由 Switch 模組來決定該封包的去向，並不會進入 tunnel interface。

NslObject - char *name_

- u_int32_t nodeID_ - u_int32_t portid_ - u_int32_t nodeType_

+ NslObject(U_int32_t, u_int32_t, struct plist*, char *) + NslObject()

+ ~NslObject() + int init()

+ int recv(ePacket_ *) + int send(ePacket_ *)

+ int get(ePacket_ *, MBinder *) + int put(ePacket_ *, MBinder *) + int put1(ePacket_ *, Mbinder *) + int command(int argc, char *argv[]) + void set_port(u_int32_t portid) + u_int32_t get_port() + char * get_name() + u_int32_t get_nid() + u_int32_t get_type()   圖 3-2 Nslobject class 定義 圖 3-2 為 NCTUns 網路模擬器中所提供的一個最基本的 NslObject 類別，在模擬中的所 實作的模組都必須繼承這個類別，在此類別最重要的兩個函式為 send()與 recv()，所有在模 組間傳送的封包都會被封裝的事件封包經由此兩個函式在模組間進行遞送。在 NCTUns 網路 模擬器中，一個節點是由一連串的模組所組成，當一個節點接收到從其他節點所傳送過來的 封包時，在協定堆疊最下層模組會呼叫 recv()函式來處理所接收到的封包，並且根據封包的 特性呼叫模組中的函式處理或往上層模組遞送，當封包必須往上層模組傳送時，類別中的成 員函式 put()會被呼叫並且將指定的封包交由上層模組的 recv()進行處理。在類別中的成員函 式 send()則是與 recv()函式的作用相反，當一個節點有封包需要往其他節點遞送時，此時， send()函式會被呼叫，並且由下層模組呼叫 send()來接收由上層所遞送的封包，依序直到封 包由最下層模組傳送至其他節點。圖 3-3.所呈現的是在 NCTUns 網路模擬器裡，同一節點中 的各模組間傳送與接收封包的示意圖。

圖 3-3 模組間封包的傳遞架構

3.2. 支援的節點與網路拓樸

本篇論文主要模擬實作的網路為中控型穿透式中繼台 WiMAX 網路，我們在 NCTUns 模 擬 器 平 台 上 新 增 了 三 種 新 的 節 點 ， 分 別 為 802.16j 穿 透 式 基 地 台 (MR-BS, Multi-hop Relay-Base Station in Transparent Mode)、802.16j 固定式穿透式中繼台 (FRS, Fixed Relay Station in Transparent mode)和 802.16j 的用戶端 (MS, Mobile Station)。如圖 3-4 所示。

在中控 所以在基地 其中無線介 中繼台 的堆疊協定 轉送，也是 要是建置在 送達成更多 昂貴成本   目前在 們僅處理由 會由媒體控 的無線介面 控型穿透式 地台節點上 介面是用來 台與用戶端 定，作為與 是透過此無 在二段式多 多的 LOS 的 。 圖 3-5 在 NCTUn 由 IPv4 的 控制層收斂 面傳送至空 式中繼台網路 上包含有線介 來與中繼台和 端節點上，目 與基地台連線 無線介面進行 多段轉傳的樹 的傳輸機會 IEEE 802 s 網路模擬 的網路封包， 斂子層進行分 空氣介質上 路拓樸下， 介面的協定 和用戶端進 目前僅提供 線的無線介 行溝通。在 樹狀結構網 會以提升基地 2.16j 二段 擬器使用的為 ，其他的網 分配，並於 。在 802.1 允許基地台 定堆疊與由 進行溝通的介 供一個無線介 介面。除此之 在 802.16j 規 網路拓樸下 地台傳輸效 段式中控型穿 為 IPv4 網路 網路協定封包 於通用子層將 16j 二段式中 台透過有線 802.16j 規 介面。 介面，分別 之外，當用 規格中，定 ，如圖 3-5 效能，並且能 穿透式穿透 路，所以在 包將由使用 將 PDUs 封 中控型穿透 線網路連接骨 規格所提供的 別使用 802 用戶端必須經 定義中控型穿 5，主要是希 能夠降低建置 透式中繼台網 在媒體控制層 用者視需求自 封裝成 burs 透式網路下 骨幹網路提 的無線介面 .16j 中繼台 經由中繼台 穿透式中繼 希望藉由中 置基地台的 網路拓樸 層的收斂子 自行開發。 st 然後再經 ，當中繼台 提供服務， 面協定堆疊 台與用戶端 台進行資料 繼台網路主 中繼台的轉 的所耗費的 子層部分我 IPv4 封包 經由實體層 台接收到基 疊， 端 料 主 轉 的 我 包 層 基