國 立 交 通 大 學
網 路 工 程 研 究 所
碩 士 論 文
在 NCTUns 網路模擬器上進行 IEEE 802.16j
非穿透式網路的效能評估與驗證
Performance Evaluation of IEEE 802.16j Non-transparent Networks
on the NCTUns Network Simulator
研究生：莊士緯
指導教授：王協源 教授
在 NCTUns 網路模擬器上進行 IEEE 802.16j 非穿透式網路的效
能評估與驗證
Performance Evaluation of IEEE 802.16j Non-transparent Networks on the
NCTUns Network Simulator
研 究 生：莊士緯 Student：Shih-Wei Chuang
指導教授：王協源 Advisor：Shie-Yuan Wang
國 立 交 通 大 學
網 路 工 程 研 究 所
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Institute of Network Engineering College of Computer Science
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Computer Science
July 2010
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
i
在 NCTUns 網路模擬器上進行 IEEE 802.16j 非穿透式網路的效
能評估與驗證
研究生：莊 士 緯 指導教授：王 協 源
國立交通大學 網路工程研究所 碩士班
摘 要
隨著無線網路的使用越來越普及，網路頻寬需求也日益趨增，目前已有發展多項無 線存取技術來提升整體系統的涵蓋率以及網路的頻寬，其中，WiMAX 正是近年來各國 極力推廣的技術之一。WiMAX 是基於 IEEE 802.16 系列的標準，包含了固定式 WiMAX IEEE 802.16d、移動式 WiMAX IEEE 802.16e 以及目前最新發展的 IEEE 802.16j 與 IEEE 802.16m。IEEE 802.16j 是 IEEE 802.16e 標準的延伸增訂版本，目的是為了提升原本 IEEE 802.16e 網路佈建下仍有許多訊號死角的問題，以及藉由中繼台的佈建來擴展基地台的 服務範圍而無需再新建新的基地台以耗費龐大的成本。 由於目前市面上還沒有真正的 IEEE 802.16j 設備，而目前眾多網路模擬器中也尚未 完整支援此套標準，因此，我們將在 NCTUns 網路模擬器中開發實作此標準中的非穿透 式網路，並改良非穿透式網路訊框結構以達到標準中提及之多段轉送的目的，使得相關 的研究者能藉由此模擬帄台對 IEEE 802.16j 進行更深入的研究。 關鍵字：NCTUns、網路模擬器、IEEE 802.16j、非穿透式網路、多段轉送ii
Performance Evaluation of IEEE 802.16j Non-transparent Networks
on the NCTUns Network Simulator
Student：Shih-Wei Chuang Advisor：Shie-Yuan Wang
Institute of Network Engineering
National Chiao Tung University
Abstract
With the growing popularity of wireless network use, network bandwidth requirements are increasing day by day, there are already developing a number of wireless access technologies to improve the overall system coverage and network bandwidth, which, WiMAX is. Many states strongly promoted this technology in recent years. WiMAX is based on the IEEE 802.16 series of standards, including the fixed WiMAX IEEE 802.16d, Mobile WiMAX IEEE 802.16e and IEEE 802.16j and IEEE 802.16m present the latest developments. IEEE 802.16j is an extended version of the original IEEE 802.16e standard to enhance the IEEE 802.16e networks thiat are many signal dead space, as well as to extend the base station’s services range by developing relay stations which is low cost compared with reconstructing new base station.
So far may network simulators have not yet fully supported IEEE 802.16j non-transparent network. The most feature of this kind of network is it supports multi-hop relay and we want to know how the performance is under this network. Accoding to this, we will implement it in NCTUns network simulatior.
iii
致 謝 辭
首先，我要感謝我的指導教授王協源老師兩年來的指導，使我無論在課業、研究或 生活上都學到了許多寶貴的經驗和知識。透過老師帄日分配的工作，更讓我接觸到許多 新穎的技術，提升我在專業領域上的能力，並加強實務經驗而非紙上談兵，相信這些學 習的過程對未來一定有很大的幫助。 感謝逄愛君教授、陳仁暉教授與賴源正教授能夠撥冗蒞臨交通大學擔任本篇論文的 口詴委員，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。 感謝周智良及林志哲兩位博班學長，在學長們細心的指導及帶領之下才能讓我在做 研究時所遭遇到的問題能夠迎刃而解，而帄時生活上的經驗傳承更讓我受益良多。此外 感謝兩年來在實驗室一起奮鬥的好夥伴，因為有你們才使我研究所生涯豐富而精彩，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。還要感 謝所有的同學及朋友們，有你們的支持與陪伴，我一路走來並不孤單。 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。iv
目 次
摘 要 ... I ABSTRACT ... II 致 謝 辭 ... III 目 次 ... IV 表目錄 ... VII 圖目錄 ... VIII 1. 緒論 ... 1 2. 背景 ... 4 2.1 相關文獻 ... 7 2.2 媒體存取控制層 ... 9 2.2.1 特定服務收斂子層 ... 9 2.2.2 通用子層 ... 10 2.2.2.1 連線管理方式 ... 11 2.2.2.2 MACPDU 格式 ... 122.2.2.2.1 RS BANDWIDTH REQUEST HEADER (RSBR) ... 15
2.2.2.2.2 MRCODE-REP HEADER ... 16
2.2.2.3 連線識別碼 ... 17
2.2.2.4 MAC 管理訊息 ... 18
2.2.2.5 初始測距與入網程序 ... 20
2.2.2.6 定期測距 ... 26
v 2.2.3 安全子層 ... 30 2.3 實體層 ... 31 2.3.1 正交分頻多重存取 ... 31 2.3.2 可適性調變與編碼 ... 32 2.3.3 兩段式中繼網路訊框結構 ... 34 2.3.4 多段式中繼網路訊框結構 ... 37 3. 系統設計與實作 ... 38 3.1 NCTUNS網路模擬器帄台介紹 ... 38 3.2 支援的節點與網路拓樸 ... 41 3.3 IEEE802.16J 非穿透式網路協定堆疊 ... 43 3.3.1 MR-BS 節點 ... 43 3.3.2 NT-RS 節點 ... 44 3.3.3 MS 節點 ... 45 3.4 IEEE802.16J中控型非穿透式網路模組設計與實作 ... 46 3.4.1 媒體存取控制層模組的設計 ... 47 3.4.1.1 MR-BS 媒體存取控制層的模組設計與實作 ... 54 3.4.1.2 NT-RS 媒體存取控制層的模組設計與實作 ... 65 3.4.1.3 MS 媒體存取控制層的模組設計與實作 ... 68 3.4.1.4 多段轉送排程方法 ... 69 3.4.2 實體層模組設計與實作 ... 72 3.4.2.1. MR-BS 實體層的模組設計與實作 ... 75 3.4.2.2. NT-RS 實體層的模組設計與實作 ... 76 3.4.2.3. MS 實體層的模組設計與實作 ... 79 4. 模擬結果驗證 ... 81
vi 4.1 模擬結果分析與驗證 ... 82 4.1.1 效能量測參數 ... 82 4.1.2 UDP 效能測量 ... 84 4.1.3 時間延遲量測 ... 92 5. 未來展望 ... 96 6. 結論 ... 98 7. 參考文獻 ... 99
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表目錄
表 2-1穿透式模式與非穿透式模式比較 ... 6
表 2-2 MAC 連線管理模式比較 ... 12
表 2-3 GENERIC MAC HEADER TYPE欄位說明 ... 14
表 2-4 GENERIC MAC HEADER欄位說明 ... 14
表 2-5 EXTENDED MAC SIGNALING HEADER TYPE Ⅱ 的 TYPE欄位說明 ... 15
表 2-6 RSBR HEADER 欄位 ... 16
表 2-7 MRCODE-REP HEADER 欄位 ... 17
表 2-8 連線識別碼(CID)配置範圍 ... 18 表 2-9 管理訊息類別與描述 ... 20 表 2-10 OFDMA實體層相關係數 ... 32 表 2-11 不同 FEC 下的單位SLOT傳輸量 ... 34 表 3-1 DLPUSC參數表 ... 59 表 3-2 ULPUSC參數表 ... 59 表 4-1 模擬時的系統參數 ... 81 表 4-2 MR-BS 與 MS(1-HOP) 在不同 FEC 下的傳輸效能量測 ... 85 表 4-4 超級訊框排程下搭配不同調變方式與編碼技術的傳輸效能 ... 90 表 4-5 不同HOP數情形下針對不同調變方式的下行資料傳輸量 ... 91 表 4-6 不同HOP數情形下針對不同調變方式的下行訊框使用率(UP) ... 92 表 4-7 不同HOP數情形下針對不同調變方式的下行訊框使用率(UF) ... 92
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圖目錄
圖 2-1 IEEE802.16 分層架構 ... 8
圖 2-2 收斂子層支援的封包型態 ... 10
圖 2-3 MACPDU 格式 ... 13
圖 2-4 GENERIC MACHEADER 欄位格式 ... 13
圖 2-5 RSBR HEADER 格式 ... 15
圖 2-6 MRCODE-REP HEADER 格式 ... 16
圖 2-7 MAC 管理訊息格式 ... 19 圖 2-8 MS 入網程序 ... 22 圖 2-9 MS 對中控型非穿透式中繼台的初始測距流程 ... 24 圖 2-10 RS 入網程序 ... 26 圖 2-11 MS 定期測距流程 ... 27 圖 2-13 用戶端換手機制下重新入網程序 ... 30 圖 2-14 實體層傳送與接收的調變與編碼流程 ... 33 圖 2-15 二段式非穿透式網路下 MR-BS 訊框架構 ... 35 圖 2-16 二段式非穿透式網路下 RS 訊框架構 ... 35 圖 2-17 超級訊框架構 ... 37 圖 3-1 NCTUNS裡的模組堆疊架構 ... 39 圖 3-2 NSLOBJECT CLASS定義 ... 40 圖 3-3 模組間封包的傳遞架構 ... 41 圖 3-4 IEEE802.16J非穿透式網路節點 ... 42 圖 3-5 IEEE802.16J非穿透式網路拓樸 ... 42 圖 3-6 非穿透式網路下節點的協定堆疊 ... 45 圖 3-7 MS OBJECT與 RS OBJECT物件結構 ... 55
ix 圖 3-8 MR-BS、MS 與 NT-RS 物件間的資料傳送 ... 57 圖 3-9 下行子訊框與上行子訊框SLOT配置方法 ... 59 圖 3-10 MR-BS 訊框結構 ... 60 圖 3-11 三段式轉傳網路拓樸 ... 61 圖 3-12 上行轉送地帶的測距子通道分配方式 ... 62 圖 3-14 以 RR 方式配置下行轉送地帶 ... 64 圖 3-15 基地台排程器流程圖 ... 65 圖 3-16 NT-RS 媒體存取控制層處理封包流程 ... 67 圖 3-17 MS 換手流程 ... 69 圖 3-18 兩段式轉傳訊框結構 ... 70 圖 3-19 多重轉送訊框結構 ... 72 圖 3-20 FCH 與 R-FCH 的配置方式 ... 73 圖 3-21 3-SECTOR MR-BS 與 NT-RS 的頻段分配 ... 76 圖 3-22 NT-RS 實體層處理封包流程 ... 78 圖 3-23 MS 掃描各頻段流程圖 ... 80 圖 4-1 基地台下行存取地帶 UDP 效能量測之網路拓樸 ... 84 圖 4-2 用戶端下行存取地帶最大配置情形 ... 85 圖 4-3 不同 FEC 下的 UDP 效能 ... 87 圖 4-4 基地台下行轉送地帶 UDP 效能測量之網路拓樸 ... 87 圖 4-5 下行轉送地帶最大配置情形 ... 88 圖 4-6 下行最大傳輸率量測 ... 90
圖 4-7 在 2-HOP下的PING DELAY ... 93
圖 4-8 在MULTI-HOP下的PING DELAY ... 93
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1.緒論
近年來，無線寬頻網路存取技術的需求已日漸茁壯，越來越多的使用者藉由這項技 術進行高效率的無線訊號傳輸，因其擁有傳統定點寬頻的高傳輸率並具有任意移動的高 行動性與方便性。其中，WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access，全球 互通微波存取) 適用於無線都會型區域網路 (Wireless MAN)，不但具有高傳輸速率、訊 號涵蓋範圍廣、支援行動通訊、提供不同網路頻寬需求 (Quality of Service；QoS) 服務 等特性，並彌補傳統網路最後一哩 (Last mile) 的不足，是近來各國極力發展的一項新 興無線寬頻存取技術。 WiMAX 是 IEEE 802.16 工作小組針對無線都會網路進行規畫的一套標準。其發展 大致可分為五個階段：(1) IEEE 802.16，這是最早的 802.16 標準，於 2001 年 12 月提 出。主要著重在點對多點的直視性(Line of Sight，簡稱：LOS)傳輸，使用 10GHz~66GHz 頻段。(2) IEEE 802.16a，這是針對 IEEE 802.16 標準的修訂版，於 2003 年 1 月提出。 主 要 增 加 非 直 視 性 (None Line of Sight ， 簡 稱 ： NLOS) 傳 輸 並 將 可 用 頻 段 調 整 為
2GHz~11GHz。其中使用了正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， 簡稱：OFDM)技術與正交分頻多重存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access， 簡稱：OFDMA)技術，可以抵抗無線傳輸多重路徑衰減的問題。(3) IEEE 802.16-2004 (以下簡稱 IEEE 802.16d) ，這是 IEEE 802.16 與 IEEE 802.16a 以及 IEEE 802.16c 整合的 版本，在 2004 年 6 月提出，並成為未來固接式通訊裝置所應遵循的規格，一般稱為「固 定式 WiMAX」 (Fixed WiMAX) 。(4) IEEE 802.16e-2005 (以下簡稱 IEEE 802.16e) ， 這是 IEEE 802.16-2004 的增訂版，在 2005 年 12 月提出，主要針對原本固接式網路的基 礎 上 增 加 行 動 性 的 支 援 ， 一 般 稱 為 「 行 動 式 WiMAX 」 (Mobile WiMAX) 。 (5)
IEEE 802.16-2009，在 2009 年 5 月發布，這份標準整合了 IEEE 802.16d、IEEE 802.16e、 IEEE 802.16f、IEEE 802.16g 等規格，算是目前為止 WiMAX 最新最完整的文件。除了 上述的正式規格之外，在 2009 年 6 月也發表了 IEEE 802.16j-2009 (以下簡稱 IEEE
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802.16j)，主要是為了降低設備價格、鋪設速度以及基地台收購的成本並且提供行動多 段轉傳 (Mobile Multi-hop Relay，簡稱：MMR)功能。此外目前尚有針對支援更高傳輸 速率並致力符合 4G 標準的 IEEE 802.16m 標準草案正在進行中。
前面提到，為了提升基地台覆蓋範圍以及強化資料傳輸率，MMR 的概念產生了。 其在 2005 年 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， 而正式的規格已於 2009 年 6 月完成。由於 IEEE 802.16j 是以 IEEE 802.16e 標準為基礎 而制定延伸的規格，所以也向下相容於舊有的 IEEE 802.16d 規格，其主要目的在於延伸
WiMAX 系統的系統覆蓋範圍，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 標準中定義了一種新的設備：中繼台 (Relay Station)，藉由中繼台的 部屬來達成上述的目標。也因此原有的 WiMAX 媒體存取控制層 (Medium Access
Control Layer，簡稱：MAC)及實體層 (Physical Layer，簡稱：PHY) 規範都需要做對應 的調整。在實體層必頇修改訊框(frame)結構以達到轉傳的目的；而在媒體存取控制層增 加了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。 目前 WiMAX 的研究已經相當普遍，但尚未有支援 IEEE 802.16j 非穿透式網路並能 與真實世界的網路協定堆疊結合的網路模擬工具，因此無法導入真實網路流量並做效能 測量。為了提供一個良好的 WiMAX 網路模擬研究帄台，我們將在 NCTUns 網路模擬 器上開發 IEEE 802.16j 網路協定，讓對 IEEE 802.16j 非穿透式網路有興趣的研究者，可 以方便地使用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
3 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 中控型非穿透式網路模 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 模擬帄台的文獻調查。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。
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2.背景
WiMAX 具有傳輸距離遠(最遠可達 50 公里)、傳輸速率高(最高可達 70Mbps) 、能 快速布建及低成本等特性，適合中距離的無線傳輸服務，並作為無線高速接取網路的媒 介。它以 IEEE 802.16 系列的標準做為其發展的依據。到目前為止，歷經幾個重要的版 本如下：802.16 (2001)、802.16c (2002)、802.16a (2003)、802.16d (2004)、802.16e (2005)、 802.16j (2009)。除了上述幾個已經正式通過的規格外，目前尚有 802.16m 的標準草案正 在密集的訂定中，希望能提供更高的傳輸速率。底下我們將一一簡介各個版本的演進。 IEEE Std 802.16 是 IEEE 802.16 工作小組第一個提出的正式標準，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)。由於使用頻帶較高，訊號穿透力不足，基地台(Base Station，BS) 與用戶端(Subscribe Station，SS)必頇進行直視性(LOS)的傳輸。因此，本規格較適用於 戶外空曠的場合。IEEE Std 802.16a 是 IEEE Std 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，並支援非直視性(NLOS) 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
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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(Adaptive Modulation and Coding Scheme，簡稱：AMC)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 是以 IEEE Std 802.16e 點對點模式網路為基礎而延伸的規格，其 目的是為了解決現行 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。因 此在原本的移動式 WiMAX 架構下新增中繼台 (Relay Station；RS)用來提供多段轉傳 (Multi-hop Relay)的功能，在此份規格中，定義了兩種不同型態的中繼台：穿透式 (Transparent mode) 和非穿透式 (Non-transparent mode)，此兩種中繼台最主要的差異在 於穿透式中繼台(Transparent RS，簡稱：T-RS)不會發送前置訊號(preamble)也不會轉送 基地台所發送的廣播管理訊息 (DLMAP、ULMAP、DCD 與 UCD 等) 到下屬的 (subordinate)中繼台或用戶端，因此用戶端並不會藉由偵測前置訊號而得知中繼台的存 在；非穿透式中繼台(Non-transparent RS，NT-RS)則如同基地台一般，在每個訊框(frame) 的開端會發送前置訊號並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屬設備台上。也因此，穿透式模式的中繼台主要是用來提升整 體傳輸速率，部屬在訊號死角，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。
IEEE 802.16j 為了相容於 IEEE 802.16e，原本 IEEE 802.16e 底下訂定的用戶端 (Mobile Station，MS)不用變動就可以在此系統中運行。但是，基地台(Base Station，BS)
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為了提供多段轉傳的功能，除了與既有的用戶端(Mobile Station，MS)溝通，也需增加與 中繼台(Relay Station，RS)溝通的能力，並同時支援中繼台和用戶端的初始測距和入網 程序，因此，IEEE 802.16j 標準中定義了這種新的基地台稱為多段轉傳基地台(Multi-hop Relay Base Station，簡稱：MR-BS)。此外，為了因應多段轉傳網路拓樸的成長而造成基 地台的負擔和設計複雜度增加，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。在穿透式模式下，資源排程必為中控 型，且最多僅能提供基地台至用戶端間經由中繼台進行二段式轉傳，其目的主要為提升 基地台涵蓋範圍內整體的效能；而在非穿透式模式中，基地台可以選擇中控型或分散型 的資源排程方式，並提供轉傳個數超過二以上的網路拓樸建置，其目的主要是用來延伸 基地台的服務範圍並且降低偏遠地區建置基地台所必頇耗費的昂貴成本。表 2-1 比較 了這兩種中繼模式的特性。 穿透式模式 非穿透式模式 資源排程方式 中控型 中控型／分散型 中繼轉傳數量 2 2 或更多 成本／複雜度 低 高 整體效能提升 高 低 延伸涵蓋範圍 無 有 傳送前置訊號、廣播訊息 無 有 表 2-1 穿透式模式與非穿透式模式比較
目前在 NCTUns 網路模擬器中已經有支援的 WiMAX 網路如下：IEEE 802.16d 點對 多點模式及網狀模式、 IEEE 802.16e 點對點模式、IEEE 802.16j 穿透式模式。本篇論文 主要是針對 IEEE 802.16j 規格中所定義的非穿透式模式進行設計實作，我們將在
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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[15]與 QualNet[16]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。[14]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
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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，而且使用者必頇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 6.0 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 網路協定以及 IEEE 802.16j 穿透式模式網路。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 非穿透式中繼 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。 特定服務收鏈子層(CS) 通用子層(CPS) 安全子層(SS) OFDM OFDMA SC SCa 媒 體 存 取 控 制 層 實 體 層 圖 2-1 IEEE 802.16 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；CS) ：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
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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；CPS) ：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，SS) ：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。 在實體層上共有四種不同的規範，以適用於特定的頻段和應用，分別是： (1) WirelessMAN-SC：用於 10~66 GHz 頻段，適合 LOS 的應用，並使用單一載波 傳輸資料。 (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)。
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(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。
(5) 負責接收並處理從下層接收上來的 PDUs，並且還原成 SDUs 往上層協定傳送。 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 子層僅頇依照封裝起來的 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。
ATM IPv4 IPv6 Ethernet 802.1Q
ATM CS
IPv4 CS IPv6 CS Ethernet
CS 802.1Q CS Packet CS
通用子層 (CPS)
安全子層 (SS)
實體層
媒
介
存
取
控
制
層
圖 2-2 收斂子層支援的封包型態2.2.2 通用子層
此層是媒體存取控制層的主要核心運作部分，其負責了包含連線建立與管理、頻寬 資源配置、服務品質保證 (QoS)、用戶端入網程序 (Network entry)與測距 (Ranging)、11
換手機制等，並且承接上層的 SDUs，從已分類的特定連線 (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，所有的資源均由基地台進行配置管理。基地台可採 分時雙工 (Time Division Duplexing；TDD)或分頻雙工 (Frequency Division Duplexing；
FDD)的模式配置每一個訊框 (frame)。為了支援多段中繼轉送，IEEE 802.16j 定義的訊 框結構比 IEEE 802.16e 更複雜化，大致可還是分為兩大部分：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。而下行和上行子訊框又可再分為存取地帶 (access zone)和中繼傳 輸地帶 (relay zone)。前者用於基地台與用戶端或中繼台與用戶端之間的傳輸 (基地台或 中繼台都可以成為用戶端的接取點；Access Station)；後者用於基地台與中繼台或中繼台 語中繼台之間的傳輸。 在 MAP 的管理訊息方面，除了既有的 DL-MAP、UL-MAP，IEEE 802.16j 中多了一 種稱為 R-MAP 的管理訊息。DL-MAP 是用來描述下行子訊框的資料分配情形，UL-MAP 則是用來讓用戶端知道如何使用可競爭的測距頻道(Ranging sub-channel)以進行入網程 序，以及了解何時可以上傳自己的資料。而 R-MAP 是放在下行中繼傳輸區塊，讓中繼 站得知中繼區塊的資源分費方式以取得有用的資訊，並能在適當時間於上行傳輸區塊將 自己與服務的用戶端資料上傳，達到中繼轉送的目的。
2.2.2.1 連線管理方式
IEEE 802.16j 定義了兩種連線管理模式，分別為：連線識別碼模式 (CID-base mode) 與通道模式 (Tunnel mode)。前者為傳統的連線方式，從 IEEE 802.16d、IEEE 802.16e 乃至現在的 IEEE 802.16j 都適用。雖在多段轉送的非穿透式網路拓樸下亦能運作，但由 於其傳遞方式必頇先解開 PDU 比對連線識別碼再決定是否繼續轉送，當轉送的中繼台 數量增加時，花費在解開 PDU 並進行封裝的過程中將造成時間的浪費與系統的負擔。 因此，通道模式才因應而生，其目的即是為了減少不斷拆解 PDU 的負擔以便能更順暢
12 的轉送封包。以下為此兩種模式的定義： (1) 連線識別碼模式 (CID-base mode)： 使用連線識別碼中繼傳送 PDU 不用額外加上任何標頭，僅需將收到的突衝(burst)中 的每一個 PDU 分別各自處理，基地台會傳送特定的管理訊息給中繼台上並於中繼台 上維護一個轉送識別碼列表，因此藉由比對 PDU 中的連線識別碼與識別碼列表即可 判斷是否要繼續往後中繼傳送。 (2) 通道模式 (Tunnel mode)： 此種遞送方式為在基地台與存取中繼台之間建立一條或多條通道連線，在此模式傳 送的 PDUs 必頇以 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頇以 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。 表 2-2 比較了這兩種連線管理模式。 連線識別碼模式 通道模式 PDU 處理程序 複雜 簡單 中繼轉送效率 低 高 額外標頭負擔 無 有 表 2-2 MAC 連線管理模式比較
2.2.2.2 MAC PDU 格式
如圖 2-3 所示，MAC PDU 包含了三個部分：(1) MAC 標頭，長度為 48 位元，每
個 PDU 最前面都必頇包上此標頭。(2) Payload，這是選擇性的欄位，主要是放 MAC
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位，用來做錯誤偵測，長度為 32 位元。
MAC header Payload CRC
6 bytes variable 4 bytes
Maximum 2047 bytes
圖 2-3 MAC PDU 格式
MAC 標頭依照其後有沒有攜帶 payload 分為兩大類：Generic MAC Header 和 MAC Header without payload。Generic MAC Header 用來傳送資料和媒體控制層的管理訊息， 上行和下行方向皆適用，其標頭欄位與內容，如圖 2-4 和表 2-4 所示。為了管理與傳輸 各 種 訊 息 ， 可 根 據 MAC 標 頭 裡 的 Type 欄 位 ( 表 2-3) 夾帶 不 同 用 途 的 子 標 頭 (sub-header)。因此，子標頭也算是 payload 的一部分。MAC Header without payload 可分 為 TYPE1 和 TYPE2 兩種型式，其僅適用於上行方向，而且標頭之後不能夾帶任何 payload 與 CRC，因此只有 48 位元。TYPEⅠ主要是用來提供下屬中繼台和用戶端進行頻寬請 求、頻道品質偵測以及睡眠模式管理等；TYPEⅡ則是用在 Feedback Polling 相關的機制。
HT (1) LEN LSB (8) CID LSB (8) CID MSB (8) HCS (8) Type (6) ESF (1) EKS (2) LEN MSB (3) EC (1) CI (1) Rsv (1)
14 Type 位元 值 #5 (MSB) #4 #3 #2 #1 #0 (LSB) Mesh子標頭：1 = 包含、0 = 不包含
ARQ Feedback Payload：1 = 包含、0 = 不包含
延伸Type，指出是否延伸Packing或Fragmentation子標頭 1 = 延伸、0 = 不延伸 Fragmentation子標頭：1 = 包含、0 = 不包含 Packing子標頭：1 = 包含、0 = 不包含 下行：FAST-FEEDBACK 配置子標頭 上行：Grant Management子標頭 1 = 包含、0 = 不包含
表 2-3 Generic MAC Header Type 欄位說明
CI CID EC EKS HCS HT LEN Type ESF 名稱 長度/bits 1 16 1 2 8 1 11 6 1 描述 CRC指示器：1 = CRC包含在PDU中、0 = 不包含CRC功能 連線識別碼 加密控制：1 = 對Payload加密、0 = 不對Payload加密 加密密鑰串列：只有在EC = 1時才有效 標頭檢查串列：用於標頭的錯誤檢測。 標頭類型，將被設為 0 長度，包含MAC標頭與CRC檢查碼 (如果存在)的PDU長度 指示子標頭和Payload的類型 延伸子標頭欄位：1 = 包含延伸子標頭、0 = 不包含延伸子標頭
表 2-4 Generic MAC Header 欄位說明
在 IEEE 802.16j 中，將 TYPEⅡ延伸並新增了幾個用於中繼台與基地台之間的標頭 格式，如表 2-5 所示。其中 RS BR header (用於中繼台向基地台請求下行頻寬才能送
RNG-RSP 給用戶端)、MR Code-REP header (當非穿透式中繼台收到用戶端的 CDMA 碼 之後會送此訊息給 BS，以便產生 CDMA allocation IEs) 是比較重要的兩個，我們也在模 擬器中實做並使用，因此將在底下做詳盡的介紹。
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延伸 Type 欄位 類型
0 RS BR header
1 RS UL_DCH signaling header
2 MR Acknowledgment header
3 MR HARQ error report header
4 MR Code-REP header
5 Reserved
6 Tunnel BR header
7 DL Flow Control Header
表 2-5 extended MAC signaling header type Ⅱ 的 Type 欄位說明
2.2.2.2.1 RS bandwidth request header (RS BR)
此標頭用於中控型的非穿透式中繼台向基地台請求下行存取區塊(access zone)的頻 寬，以便能傳送諸如 RNG-RSP，MOB_NBR-ADV，DCD，UCD 等訊息。其格式如圖 2-5 和表格 2-6。 TID (4) H T = 1 ( 1 ) BR LSB (8) CID LSB (8) CID MSB (8) HCS (8) Extended Type = 1 (3) DIUC (4) BR MSB (2) E C = 1 ( 1 ) T y p e = 1 (1 ) 圖 2-5 RS BR header 格式
16 TID DIUC BR CID HCS 名稱 長度/bits 4 4 10 16 8 描述 通道識別碼 RS傳送訊息的DIUC 向BS請求的頻寬 (單位：位元組) RS的Basic CID 標頭檢查串列：用於標頭的錯誤檢測。 表 2-6 RS BR header 欄位 2.2.2.2.2 MR Code-REP header 此標頭適用於中控型的非穿透式中繼台。當中繼台收到用戶端的 CDMA 碼(IR
CDMA code、BR CDMA code、HR CDMA code) 時會向基地台請求產生 CDMA Allocation IEs；基地台收到此標頭後產生 CDMA Allocation IE 並將 Frame Number Index、Ranging Code、Ranging Symbol，和 Ranging Subchannel 這四個欄位清成 0 再傳給中繼台，最後 由中繼台填完這四個欄位再將 CDMA Allocation IE 回傳給用戶端。其格式如圖 2-6 和表 2-7 所示。 Number of Received BR CDMA Codes (4) Frame Number Index (4) H T = 1 ( 1 ) Number of Received HR CDMA Codes LSB (2) CID LSB (8) CID MSB (8) HCS (8) Extended Type = 4 (3) Number of Received IR CDMA Codes (4) Number of Received HR CDMA Codes MSB (2) E C = 1 ( 1 ) T y p e = 4 (1 ) 圖 2-6 MR Code-REP header 格式
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Frame Number Index
Number of Received IR CDMA Codes Number of Received HR CDMA Codes Basic CID HCS 名稱 長度/bits 4 4 4 16 8 描述 訊框號碼的LSB 收到的初始測距CDMA碼的數量 收到的換手測距CDMA碼的數量 RS的Basic CID 標頭檢查串列：用於標頭的錯誤檢測。 Number of Received BR
CDMA Codes 6 收到的頻寬請求CDMA碼的數量
表 2-7 MR Code-REP header 欄位
2.2.2.3 連線識別碼
在 WiMAX 網 路 中 ， 資 料 的 傳 輸 是 透 過 傳 送 端 與 接 收 端 之 間 建 立 連 線 導 向 (Connection -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，當上層有資料必頇透過基地台與用戶端之間傳輸時，必頇另外建立一組 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
2-8 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
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自行訂定。
連線識別碼 值 描述
Initial Ranging CID 0x0000 初始測距時使用
MS/RS Basic CIDs 0x0000 – m 下行與上行連線需使用相同的值 MS/RS Primary CIDs m+1 – 2m 下行與上行連線需使用相同的值
Transport CIDs， Secondary management CIDs
2m+1 – 0xFE9F 供 Secondary 管理連線使用，下行與上 行連線需使用相同的值 Broadcast CID 0xFFFF 下行傳遞給其下所有的 MS/RS 表 2-8 連線識別碼(CID)配置範圍
2.2.2.4 MAC 管理訊息
MAC 管理訊息是用來做為基地台、中繼台與用戶端之間溝通的訊息。其存放的位 置在 MAC PDU 的 payload 欄位。MAC 管理訊息的格式如圖 2-7 所示，在最前面有一個 型別的欄位，占 8 位元，用來分辨是何種管理訊息；內容的部分可以分為固定的欄位和 變動長度的欄位，變動長度的欄位以 TLV (Type Length Value) 表示。原本在 IEEE 802.16 媒體控制層規格中已定義了 70 種管理訊息(0 ~ 69)用在 BS 與
MS 之間的傳遞，而 IEEE 802.16j 為了支援多段轉傳的功能，從 type 70 開始又新增了 28 個 (70 ~ 97)管理訊息供 BS 與 RS 之間傳遞，表 2-9 列出了目前在 NCTUns 802.16j 非穿透式網路模組中實作的管理訊息。
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1 byte
variable
Management Message Type Management Message Payload Fixed Length Field TLV TLV TLV TLV TLV TLVType Length Value Type Length Value
圖 2-7 MAC 管理訊息格式
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
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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 70 RCD R-link channel description Primary Management 73 RS_Config-CMD RS configuration command Primary Management 79 MS_INFO-DEL MS context information delete Basic 91 MR_Generic-ACK Generic ACK of received message Basic 92 RS_Access-MAP MAP information in centralized scheduling
mode Basic
93 RS_Relay-MAP R-MAP information in centralized scheduling
mode Basic 表 2-9 管理訊息類別與描述
2.2.2.5 初始測距與入網程序
當一個新的用戶端或中繼台欲加入 WiMAX 網路時必頇透過入網程序 (Network Entry) 向基地台請求提供服務。在入網程序的一開始經由收到基地台發送的下行資訊進 行時序同步、功率調整等，即初始測距。過程中，基地台會建立與用戶端或中繼台之間 必要的連線，並分配連線識別碼給用戶端或中繼台，獲得連線識別碼之後，即可傳遞 MAC 管理訊息完成入網程序並進入運作模式(operational mode)，此時方可進行資料傳遞。 以下我們將個別針對用戶端與中繼台的入網程序進行說明。21 (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，首先必頇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。 初始測距為用戶端用來與基地台校調時序和調整電源功率的重要步驟，當用戶端開始進 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。
22 Scan for Downlink Channel Obtain Uplink Parameters Ranging & Automatic Adjustments Negotiate Basic Capabilities MS authorization and Key Exchange Register with MR-BS Establish IP Connectivity Establish Time of Day Transfer Operational Parameters Establish Provisioned Connections Operational Downlink Synch. Established Uplink Parameters Acquires Ranging & Automatic Adjustments Complete Basic Capabilities Negotiated MS Authorization Complete Registration Complete IP Complete Time of Day Established Transfer Complete (1) (2) (3) (4) (7) (6) (5) (10) (9) (8) 圖 2-8 MS 入網程序 在多段轉傳的網路架構下，用戶端在進行初始測距時可能是透過中繼台而非直接與 基地台溝通，根據不同的中繼台類型以及不同基地台排程方式，基地台與中繼台交換的
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管理訊息也有所不同。由於本篇論文主要是針對中控型非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 控型非穿透式中繼台網路下，於基地台服務範圍下的中繼台必頇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 測距碼時會向基地台發出
RS BR header 進行頻寬請求，基地台收到 RS BR header 會分配 RS_BW_ALLOC_IE 給 中繼台，中繼台方可將調整資訊、測距狀態等包在 RNG-RSP 回傳給用戶端，用戶端收 到 RNG-RSP 進行功率、時間的調整後再送出 CDMA 測距碼，此時中繼台收到會向基地 台發出 MR_Code-REP header，基地台會產生 CDMA Allocation IE 並將 Frame Number
Index、Ranging Code、Ranging Symbol，和 Ranging Subchannel 這四個欄位填為 0 傳給 中繼台，中繼台收到後會根據當時的測距結果將此四個欄位填滿再回送給用戶端。詳細 的初始測距流程如圖 2-9。
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。
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MR-BS NT-RS MS
RS_Access-MAP
UL-MAP
CDMA Ranging code Dedicate RS CDMA code /
RS BR header RS_BW-ALLOC_IE RNG-RSP (status : continue) RS_Access-MAP UL-MAP
CDMA Ranging code MR_Code-REP header RS_Access-MAP UL-MAP RNG-REQ RNG-REQ RNG-RSP RNG-RSP 圖 2-9 MS 對中控型非穿透式中繼台的初始測距流程 如同用戶端一樣，中繼台亦頇透過中繼台所需的入網程序與基地台來與進行連線。如圖 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
25 (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。 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， 必頇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。
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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。 Scan for Downlink Channel Obtain Uplink Parameters Ranging & Automatic Adjustments Negotiate Basic Capabilities RS authorization and Key Exchange Register with MR-BS Establish Time of Day Transfer Operational Parameters RS operation parameters configuration Operational Downlink Synch. Established Uplink Parameters Acquires Ranging & Automatic Adjustments Complete Basic Capabilities Negotiated RS Authorization Complete Registration Complete Time of Day Established Transfer Complete Perform First Stage Access station Selection Establish IP Connectivity IP Complete NBR station Measurement repot complete NBR station Measurement repot Second Stage Access station Selection Path creation and tunnel establish Second Stage Access station Selection complete Configuration complete 圖 2-10 RS 入網程序
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27 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，再將頇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，中繼台必頇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需要向基地台發送 RS BR header 以便能回送 RNG-RSP 給用戶 端，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。 MR-BS NT-RS MS RS UL-MAP UL-MAP
CDMA Ranging code Dedicate RS CDMA code /
RS BR header RS_BW-ALLOC_IE RNG-RSP (status : continue) RS UL-MAP UL-MAP
CDMA Ranging code Dedicate RS CDMA code /
RS BR header RS_BW-ALLOC_IE
RNG-RSP (status :success)
Send map containing periodic Ranging IE with RS Basic CID
Send map containing periodic Ranging IE with RS Basic CID
圖 2-11 MS 定期測距流程
2.2.2.7 換手機制與程序
IEEE 802.16j 為 IEEE 802.16e 的延伸，因此也支援用戶端的移動性，即換手機制 (Handover)，此外，在這份規格中還提供了中繼台移動性的能力。由於中繼台的換手機
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制仍存在許多議題，目前我們僅實做固定式的非穿透式中繼台以及可移動式的用戶端。 底下我們將就換手的情境、換手的時機與程序做說明。
圖 2-12 顯示了在 IEEE 802.16j 網路下用戶端可能發生的換手情境。
換手機制有兩大類：硬式換手 (Hard Handover)和軟式換手 (Soft Handover)。前者 為先斷後連 (Break before Make)的方式，在換手時會先與服務中的基地台(Serving BS) 中斷連線，再與目標基地台(Target BS)進行連線，所以可能會造成資料遺失；後者為先 連後斷 (Make before Break)，即先與目標基地台進行連線，成功後再與原本的服務基地 台斷線。其中，硬式換手為必要項目而軟式換手為選擇項目。 換手程序為用戶端從服務中的基地台換手到目標基地台的過程，包含拓樸的取得、 換手時機決策、重新建立連線等，主要分為下列兩大部分： I. 網路拓樸的取得：在 IEEE 802.16j 非穿透式網路下，基地台和非穿透式中繼台 都會定期的發送 MOB_NBR_ADV 廣播管理訊息來告知用戶端鄰近基地台的資 訊，以方便用戶端進行換手程序時使用；另一方面，用戶端也會經由傳送 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
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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，則中繼台必頇幫 忙轉送換手機制的管理訊息。
II. 換手程序(Handover procedure)：圖 2-13 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。 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較強的基地台時 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 用戶端換手程序的啟動可以由基地台或是用戶端發起，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，用戶端必頇與目標基地台進行 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，必頇對原本提供服務的基地台進行 入網程序。在多段轉傳 WiMAX 下，基地台必頇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，基地台必頇傳送 MR_INFO_DEL 管理訊息來清除中繼台 上用戶端的連線資訊。
30 Cell Reselection: MS Scanning of Neighbor BSs Handover Decision and Initiation Synchronization to Target BS Downlink Ranging and Network Re-entry Termination of MS Context Normal Operation HO decision Handover Cancellation HO Success & Normal Operation Cell Rejected Cell Rejected Cell Rejected 圖 2-13 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。31
2.3 實體層
在 IEEE 802.16 中，定義了四種不同的實體層介面規範，分別是 SC、SCa、OFDM、
OFDMA。其中 SC 使用 10~66 GHz 頻帶，其餘三種則使用 2~11 GHz 頻帶。傳輸方面 SC、SCa 僅適用於 LOS 傳輸，OFDM 與 OFDMA 亦適用於 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，其實體層主要也是以 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)是正交分頻多工(OFDM)加上多重存取技術的結合。 OFDM 的基本概念是把一個高傳輸速率的串流切割成許多低傳輸速率的次串流，並將這 些次串流調變到不同的次載波上(sub-carrier)。其優點是可以有效對抗通道多重路徑效應、 提高資料傳輸效率與頻道使用率，並將符碼間的干擾(Inter-Symbol Interference，簡稱：ISI)減至最低。OFDMA 繼承了 OFDM 的優點，並使用 TDMA 和 FDMA 的結合做為其 多重存取的技術。它將所有子載波 (subcarrier)分割成若干集合，每一個集合裡的子載波 未必連續，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，使得多個的用戶可以 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 之實體層根據當時的頻 道使用狀況，動態調整 FFT-size 以維持子載波的間距來維持上層的設計而不用做變更。 在 OFDMA 實體層中支援了四種 FFT-size，分別是 128、512、1,024、2,048，表 2-10 列
32 出了 OFDMA 實體層所用到的相關參數。 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 (Tg / Tb) 1/32, 1/16, 1/8, 1/4
Oversampling rate (Fs / 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 2-10 OFDMA 實體層相關係數
2.3.2 可適性調變與編碼
WIMAX 支援可適性調變技術以針對不同的網路通道品質使用最適合的調變方式， 進而達到最佳的傳輸品質。目前在 IEEE 802.16 中支援了三種調變機制：QPSK、16-QAM、 64-QAM。依照基地台與用戶端之間的距離遠近，訊號的強度、品質也有所不同，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33 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 2-14 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，必頇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 2-11 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。 Randomizer FEC Encoder Bit Interleaver Repetition Encoder Modulation Data to transmit in PHY burst Mapping to OFDMA sub-channels Derandomizer FEC Decoder Bit Deinterleaver Repetition Decoder De-modulation Data received from PHY burst 圖 2-14 實體層傳送與接收的調變與編碼流程
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Modulation FEC coding Rate Uncoded payload
(bytes) Coded Payload (bytes)
QPSK 16-QAM 64-QAM 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 6 9 12 18 18 24 27 12 12 24 24 36 36 36 表 2-11 不同 FEC 下的單位 slot 傳輸量
2.3.3 兩段式中繼網路訊框結構
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非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)。在二段式非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)與下行轉送地帶 (DL
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relay 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 2-15、2-16，分別代表在二段式非穿透式中繼台網路 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的時間區段，下行轉送地帶則為基地台分配用來傳送下行資 料至中繼台或中繼台將資料轉送到別的中繼台的時間區段；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 2-15 二段式非穿透式網路下 MR-BS 訊框架構 圖 2-16 二段式非穿透式網路下 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
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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。 下行轉送地帶主要是基地台將資料要傳送給中繼台的傳輸區段，或者配置給中繼台 進行下行傳送資料轉送的傳輸區段。由於中繼台接收下行封包都要透過此區段，因此此 區段的訊框結構跟下行存取地帶有些類似，包含 R-FCH 和 R-MAP，主要目的跟 FCH 和 DL-MAP 一樣，都是紀錄下行子訊框的 burst 資訊，只是一個是用來與用戶端進行傳 輸使用，另一個則是在中繼台間傳輸所使用。R-FCH 是一個定義為 R-Zone Prefix 的資 料結構所組成，其中包含了 R-MAP 的長度與位置以及使用的調變技術與編碼方式，中 繼台會在實體層進行 R-FCH (R-Zone Prefix)的解析後才有足夠的訊息解開 R-MAP。
R-MAP 是一個類似 DL-MAP 的資料結構，其中包含了下行轉送地帶的 DL-MAP IE，目 的是幫助中繼台進行下行轉送地帶 burst 的解析。 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，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，必頇以二元倒退 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，如同上行存取地帶，此區段也包含一段特殊的競爭子通道，用來提供給 中繼台進行初始測距、定期測距、頻寬請求及換手測距等，當中繼台於下行轉送地帶的 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。若是在多段轉送網路下，中繼台則會利用此區段將上行封包轉送給它的上屬中 繼台。
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2.3.4 多段式中繼網路訊框結構
在 IEEE 802.16j 裡並未明確定義多段式中繼的訊框結構，而在轉送地帶中，其狀態 同一時間只能是傳送(Tx)、接收(Rx)或閒置(Idle)三者其中一個，因此上述提到的訊框結 構將無法在多段轉送網路中運作，因為中繼台的下行轉送地帶都為 Rx 狀態而上行轉送 地帶都為 Tx 狀態，如此勢必不能在兩個以上的中繼台間傳輸，目前標準有提到兩種可 行的方案：超級訊框結構與轉送區間分割法，底下我們將就此兩種方法做說明。 所謂超級訊框，即是指將原本兩個或多個訊框結構視為一個大的訊框結構，在此大 的訊框結構下裡面的小訊框其轉送地帶的狀態可以視情形來做更換。如圖 2-17，此為一 個 2-frame 的超級訊框結構範例，其中第一個轉送的中繼台 NT-RS1在第一個大訊框裡的 第一個小訊框之下行轉送地帶狀態為 Rx，因為要接收來自基地台的下行轉送封包，而 為了能將資料轉送給下一個中繼台 NT-RS2，在此大訊框裡的第二個小訊框其下行轉送 地帶應調整成 Tx，藉由這種方式，將可達到多段轉送的目的。此種方法的好處是不會 影響到原本訊框結構的，只是在時間上會隨著本身是第幾個 hop 以及第幾個訊框去改變 轉送地帶的狀態。 Tx Rx Tx RxSuper frame k Super frame k+1 Super frame k-1
