行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
使用於 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路的換手機制與 混合式排程之研究
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-156-
執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系
計 畫 主 持 人 ： 黎碧煌
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：黃品翰 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭仲凱 碩士班研究生-兼任助理人員：楊士承 博士班研究生-兼任助理人員：許文彬
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 99 年 10 月 31 日
成 果 報 告 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
期中進度報告
使用於 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路的換手機制與混合 式排程之研究
計畫類別：
個別型計畫 整合型計畫計畫編號：NSC98-2221-E-011-156
執行期間： 98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日 執行機構及系所：國立台灣科技大學電機工程系
計畫主持人：黎碧煌 共同主持人：
計畫參與人員：許文彬、黃品翰、鄭仲凱、楊士承
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
精簡報告 完整報告本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
赴國外出差或研習心得報告
赴大陸地區出差或研習心得報告
出席國際學術會議心得報告國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
涉及專利或其他智慧財產權，一年 二年後可公開查詢
中 華 民 國 99 年 8 月 1 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
使用於 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路的換手機制與混合式排程之研究 計 畫 編 號：NSC-98-2221-E-011-156
執 行 期 間：98 年 8 月 1 日 至 99 年 7 月 31 日 主 持 人：黎碧煌 國立台灣科技大學電機工程系
計畫參與人員：許文彬、黃品翰、鄭仲凱、楊士承 國立台灣科技大學電機工程系 摘要
IEEE 802.16 又稱為 WiMAX (worldwide interoperability for microwave access)，它是 支援多媒體服務最重要之寬頻無線接取(broadband wireless access; BWA)技術之ㄧ。IEEE 802.16j 草案中定義之無線多跳(multi-hop)中繼台(relay station)網路中，中繼台主要為擴 展系統訊號之涵蓋範圍及增加系統傳輸容量，進而達到增進效能之目的。本研究針對不 同類型的中繼台的網路佈建及網路繞徑及排程，提出有效且可行的方法，其目的就在尋 求應用於 IEEE 802.16j 網路環境中之不同中繼台類型及相關排程機制。
在本研究中，我們先探討混合式排程(hybrid scheduling)方法，搭配不同形式中繼台 的網路佈建，找出一合適的方法以提高在多跳中繼台網路中之網路容量及增進效能，之 後根據此一研究成果，再深入探討換手(handoff)問題。並繼續探討高速且高移動性之 IEEE 802.16m 的環境，找出一同時可以支援 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路環境的 換手機制。最後，應用於同樣支援多跳中繼台網路之 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網 路環境中，同時也能滿足確保服務品質(quality of service; QoS)之封包排程方法，以提供 多媒體應用需求。由模擬結果發現，混合式多重跳躍中繼網路在加入資源重複使用機制 後，可以有效地擴展系統涵蓋範圍，亦大大地改善系統產能與縮短延遲。
關鍵詞：WiMAX、IEEE 802.16j、IEEE 802.16m、中繼台(relay station)、混合式排程(hybrid scheduling)、換手(handoff)、服務品質(quality of service; QoS)
Abstract
IEEE 802.16, also known as WiMAX (worldwide interoperability for microwave access), is one of the important broadband wireless access (BWA) technologies in the convergence of multimedia services and high speed wireless transmissions. In IEEE 802.16j draft, a relay station in a multi-hop relay network could offer the extended cell coverage and system capacity. The purpose of this study is to get a suitable network architecture and the way to do routing and hybrid scheduling in IEEE 802.16j networks.
In this study, we firstly survey the hybrid scheduling scheme running on the wireless multi-hop relay network and seek a proper routing algorithm to improve system performance.
Based on the results obtained at this stage, we then implement the hybrid scheduling and relay deployment scheme onto both IEEE 802.16j and IEEE 802.16m that support high mobility and bandwidth for the mobile multi-hop relay networks to solve the handoff problem and validate the feasibility and performance running on the multi-hop relay network architecture on both IEEE 802.16j and IEEE 802.16m networks. Finally, we will find the better solution to ensure the QoS requirements to support multimedia services in IEEE 802.16j and IEEE 802.16m networks. From the simulation results, we find the hybrid scheduling and relay deployment scheme can effectively extend the system coverage, increase the system throughput, and decrease delay after using resource reusing scheme.
Keywords: WiMAX, IEEE 802.16j, IEEE 802.16m, relay network, QoS, handoff
1. 前言
隨著電腦和通訊技術的快速發展，未來個人通訊上對多媒體及無線網路頻寬的需求 日益增加，無線寬頻網路技術的重要性亦日漸增長。運用無線寬頻網路能夠將數據網 路、語音、視訊、多媒體及Internet的應用簡單方便的普及至家庭及企業用戶。由IEEE 802.16 標準中所定義的無線寬頻都會型區域網路(wireless metropolitan area network;
WMAN)，因能夠提供高速的無線傳輸並滿足行動用戶的多媒體應用而成為無線通訊的 重要技術。以往的解決方法為透過增加基地台或額外佈建信號再生器(repeater)。然而，
藉由增加許多覆蓋範圍較小的基地台將會提昇設備的成本與維護的成本。如果採用架設 信號再生器，則會將所有收到的訊號放大，因此輸入訊號需要有較高的訊號雜訊比(signal to noise ratio; SNR)，以免增加接收端解調變時的錯誤率，同時須謹慎處理因放大訊號所 造成的干擾問題。因此，多重跳躍中繼(multihop relay)技術於 2005 年在IEEE 802.16 大 會中被提出，希望藉由IEEE 802.16j 標準的制訂[1]，在現有系統中加入中繼站(relay station; RS)來解決上述的問題。
IEEE 802.16j 標準為了因應不同的需求，定義了兩種類型的中繼站，分別是穿透式 中繼站與非穿透式中繼站。這兩種中繼站具有不同的運作行為，訊框架構也因此不同。
但是，IEEE 802.16j 標準所提出的多重跳躍中繼網路皆只是針對使用單一種中繼站做說 明，對於如何混合這兩種中繼站並無定義，訊框架構也不明。另外，現行的研究也大多 數著重於單一種中繼站的環境下。然而，對於日漸複雜的網路環境，中繼站的混合是必 須的。而且我們發現這兩種中繼站皆各自有其優點，如果能夠藉由混合的模式，同時達 到所有的優點，將對於整體的網路產能有很大的幫助。因此在我們的研究報告中，我們 將提出混合式的多重跳躍中繼網路，並且發展出適用的混合式訊框架構，讓兩種中繼站 能夠一起正常的運作。另外，我們也將對其可能面臨的問題做探討。
根據 IEEE 802.16j 標準所定義，這兩種中繼站所支援的排程方法有所差別，穿透式 中繼站僅支援集中式的排程(centralized scheduling)，而非穿透式中繼站可支援集中式排 程與分散式排程(distributed scheduling)。然而，排程方法往往決定網路效能的好壞。因 此在我們的研究報告中我們也會探討在混合式的多重跳躍中繼網路下，基地台、中繼站 需使用哪種排程方式。另外，在多重跳躍中繼網路中，資料的轉送會消耗許多資源，導 致傳輸產能的降低。在本研究報告中，為了解決此問題，將針對我們的系統提出一個資 源重複使用的機制，來達到增加系統容量、傳輸產能與降低封包延遲。
2. 研究目的
2005 年所公佈的IEEE 802.16e標準[2]，則是定義一個具有高速傳輸能力與支援高速 移動的標準。相較於IEEE 802.16d的實體層標準可以使用正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing; OFDM) 與 正 交 分 頻 多 工 存 取 (orthogonal frequency division multiple access; OFDMA)，IEEE 802.16e 則是以OFDMA 為主在頻域上提供多 使用者存取。在網路架構方面，IEEE802.16d 可採用點對多點(point-to-multipoint; PMP) 與網狀(mesh)模式[3]-[5]。IEEE 802.16e 採用點對多點模式也提供了移動性，但是當用 戶端距離基地台太遠或位在訊號不良的地方，如在細胞邊緣或室內，將會導致用戶端無 法與基地台溝通，雖然可以採用較強健的調變技術來解決此問題，但是相對地傳輸速率 會因此下降。若改採增加基地台的方式，佈建所花費的成本會因此上升。因此在 2006 年IEEE 802.16 標準制定組織成立了IEEE 802.16j工作小組，目的在於研究 Mobile Multihop Relay (MMR)[6]-[8]在 802.16 中的可行性。
2009 年公布的 IEEE 802.16j 標準，是基於 IEEE 802.16e 標準所延伸而來，旨在解 決基地台佈建不足與骨幹網路營運成本昂貴等問題，藉由加入成本較低的中繼站轉送基
地台與用戶端之間的資料與控制訊息，來達到擴展系統的涵蓋範圍與增加系統容量，如 圖 1 所示。MS1 因為建築物的遮蔽只能以較強健的調變方式與基地台做溝通，以確保資 料能夠正確地被基地台所接收。藉由中繼站 RS1 的幫助，MS1 可以採用較好的調變方 式與 RS1 溝通，透過 RS1 轉送資料給基地台。因此，加入中繼站能夠有效地增加傳輸 產能與系統容量。另外，針對 MS2 與 MS3，因為兩者位於基地台所能服務範圍之外，
故無法取得服務，但是中繼站 RS2 的加入，擴展了基地台的服務範圍。
圖 1 IEEE 802.16j MMR 網路架構
IEEE 802.16j 標準必須在不更動現有 IEEE 802.16e 用戶端設備規格的前提下，更新 基地台支援中繼站。相較於之前標準所定義的網路中只有兩種裝置，基地台與用戶端。
IEEE 802.16j 中包含了三種裝置，分別是支援中繼功能的基地台(multihop relay base station; MR-BS)、中繼站與用戶端。因此，IEEE 802.16j 的標準為定義基地台與中繼站、
中繼站與用戶端、中繼站與中繼站之間媒體存取控制層(MAC)與實體層(PHY)相關的協 定。網路架構如同 IEEE 802.16e，為點對多點模式，並且實體層僅支援 OFDMA 技術。
IEEE 802.16j 標準定義了兩種中繼站，分別為穿透式中繼站與非穿透式中繼站。此兩種 中繼站各有其所要實現的目標，運作方式與訊框架構也不同。
3. 研究方法
3.1. 混合式多重跳躍中繼(Hybrid MR)網路架構
圖 2 為混合式多重跳躍中繼網路架構，其中有一個基地台(MR-BS)、三個穿透式中 繼站(t-RS)、三個非穿透式中繼站(nt-RS)與一些位於基地台範圍內(SSi)與範圍外(SSo)的 用戶端。[9]提出穿透式中繼站的佈建方式，其在每個細胞(cell)均勻地佈建三個穿透式中 繼站或者九個穿透式中繼站，而我們採用在每個細胞均勻佈建三個穿透式中繼站的方 式。同樣地，我們在每個細胞佈建三個非穿透式中繼站，而非穿透式中繼站擺放在與穿 透式中繼站有最短距離的基地台涵蓋邊緣，有效地擴展涵蓋範圍，進而讓更多基地台範 圍外的用戶端取得服務。因此，穿透式中繼站位於基地台與非穿透式中繼站之間，目的 在於可以傳輸速率較高的調變方式轉送下層站台(用戶端及非穿透式中繼站)與基地台之 間的資料。由此可知，非穿透式中繼站與基地台之間資料的傳送，都是依靠穿透式中繼 站做轉送。
非穿透式中繼站為了有效地讓更多基地台範圍外的用戶端取得服務，通常會擺放基 地台的涵蓋邊緣，如此會造成基地台與非穿透式中繼站之間的通道因距離過遠導致品質 不佳。因此，我們在基地台與非穿透式中繼站之間加入穿透式中繼站，間接地以較好的 通道品質轉送它們之間的資料。穿透式中繼站同樣地需知曉它應該負責轉送的非穿透式
中 繼 站 有 哪 些 ， 所 以 基 地 台 在 此 除 了 會 加 入 用 戶 端 的 連 線 資 訊 至 RS_Member_List_Update 訊息外，也會加入非穿透式中繼站的連線資訊。另外，在此網 路架構中，我們的基地台、穿透式中繼站與用戶端會採用單一的全向性天線來做資料的 傳送與接收。至於非穿透式中繼站會使用兩根天線，一根天線為指向性天線用來與下層 用戶端(即基地台範圍外的用戶端)做溝通，另一根天線為全向性天線用來與上層站台(即 穿透式中繼站與基地台)做溝通。
圖 2 混合式多重跳躍中繼網路架構
3.2. 混合式訊框架構
根據前述混合式多重跳躍中繼網路架構，我們提出圖 3 的混合式訊框架構，此圖以 四層的觀點來看，最上層是基地台，第二層是穿透式中繼站，第三層是非穿透式中繼站，
最下層是位於基地台傳輸範圍外的用戶端，此訊框架構包含下行子訊框與上行子訊框。
我們把下行子訊框切分為下行存取區間(DL access zone)、下行穿透式中繼站轉送區 間(DL t-RS relay zone)與下行非穿透式中繼站轉送區間(DL nt-RS relay zone)。在下行存 取區間，基地台與非穿透式中繼站都會傳送資料給下層的站台。針對基地台而言，即為 基地台範圍內的用戶端與穿透式中繼站，而針對非穿透式中繼站而言，即為基地台範圍 外的用戶端。在下行穿透式中繼站轉送區間，穿透式中繼站會把在存取區間從基地台收 到的資料轉送給基地台範圍內的用戶端。非穿透式中繼站在此區間會繼續傳送資料給基 地台範圍外的用戶端。在下行非穿透式中繼站轉送區間，穿透式中繼站轉送從基地台收 到的資料給非穿透式中繼站。而非穿透式中繼站在此區間首先會接收基地台傳送過來的 R-MAP 訊息，R-MAP 為基地台用來指示非穿透式中繼站何時需傳送與接收資料的管理 訊息。在我們的混合式多重跳躍中繼網路架構中，R-MAP 所包含的訊息述說著非穿透 式中繼站何時需接收穿透式中繼站的下行資料與何時需傳送上行資料給穿透式中繼 站。當非穿透式中繼站接收完 R-MAP 訊息後，即可在下行非穿透式中繼站轉送區間依 照 R-MAP 中的 DL-MAP 資訊正確地接收下行資料。
我們同樣把上行子訊框切分為上行存取區間(UL access zone)、上行穿透式中繼站轉 送區間(UL t-RS relay zone)與上行非穿透式中繼站轉送區間(UL nt-RS relay zone)。在上 行存取區間，基地台、穿透式中繼站與非穿透式中繼站都會接收用戶端的資料。在上行 穿透式中繼站轉送區間，穿透式中繼站會轉送從用戶端與非穿透式中繼站接收到的資料 給基地台。而非穿透式中繼站在此區間會繼續接收用戶端的資料。在上行非穿透式中繼
站轉送區間，非穿透式中繼站會根據從基地台接收到的 R-MAP 管理訊息中所包含的 UL-MAP 資訊，將在存取區間與穿透式中繼站轉送區間收到的用戶端資料，傳送至穿透 式中繼站。
由此可知，我們的下行資料最多會被轉送三次，首先從基地台到穿透式中繼站，再 傳送至非穿透式中繼站，最後至用戶端。同樣地，上行資料最多也會被轉送三次，首先 用戶端到非穿透式中繼站，再轉送至穿透式中繼站，最後到基地台。表 1 為基地台、穿 透式中繼站、非穿透式中繼站與用戶端在各個區間的運作情形。
圖 3 混合式訊框架構
表 1 各站台於混合式訊框架構下的運作行為
下行子訊框 上行子訊框
存取區間 穿透式中繼
站轉送區間
非穿透式中 繼站轉送區
間
存取區間 穿透式中繼 站轉送區間
非穿透式中 繼站轉送區
間
基地台 傳送 靜止 靜止 接收 接收 靜止
穿透式
中繼站 接收 傳送 傳送 接收 傳送 接收
非穿透式
中繼站 傳送 傳送 接收 接收 接收 傳送
基地台範圍
外用戶端 接收 接收 靜止 傳送 傳送 靜止
3. 排程
，而非穿透式中繼站卻可支援集中式與分散式 3. 資源的
由於穿透式中繼站僅支援集中式排程
排程。因此，在此小節我們將說明混合式多重跳躍中繼網路中的基地台與中繼站要使用 何種排程方式。如圖 4 所示，基地台與穿透式中繼站會使用集中式排程，而非穿透式中 繼站在此我們會使用分散式的排程。非穿透式中繼站使用分散式排程的理由有三個：
1. 減少延遲的時間 2. 有較好的傳輸產能
穿透式中繼站無法分析非穿透式中繼站所傳送過來的 3.
圖 4 混合式多重跳躍中繼網路架構下各站台排程方式
MR_Code-REP 程，因此可以直
接傳送資料給用戶端或直接配置頻寬供用戶端上傳資料，可以有效地縮短資料的延遲。
訊息針對第一點，由於非穿透式中繼站可以自行排
由於封包傳輸延遲縮短了，因此能夠提升整個傳輸產能。在[9]中，也證明了當非穿透式 中繼站採用分散式排程時，相較於採用集中式排程有更好的傳輸產能。至於第三點的原 因主要為在IEEE 802.16j標準中並無定義穿透式中繼站收到非穿透式中繼站所特有的訊 息(即MR_Code-REP)時，該如何做處理。然而，如之前所述，當非穿透式中繼站採用分 散式排程時，基地台與中繼站之間需做資源的協調，以避免同時使用相同的資源。因此，
基地台會在每個訊框開始的DL/UL-MAP與R-MAP訊息中加入用來說明區間資訊的 IE(information element)。針對下行而言，基地台會產生STC_DL_ZONE_IE與DIUC為 13 的DL-MAP IE。而針對上行而言，基地台會產生UL_ZONE_IE與UIUC為 13 的UL-MAP IE。中繼站藉由這些IE即可得知各個區間的起始符號元與次通道，並且正確地使用資源。
從我們提出的混合式訊框架構得知，非穿透式中繼站在非穿透式中繼站轉送區間 (nt-RS relay zone)時須與上層的站台作傳送與接收。因此，非穿透式中繼站不可對此區 間做資源的排程，而是由基地台管理。非穿透式中繼站轉送區間會在第二個區間資訊 IE 所描述，所以非穿透式中繼站在接收到此 IE 時，必須把此資源區間標記為不可使用。
在此網路下，基地台範圍外的用戶端的頻寬請求訊息僅會由非穿透式中繼站做處理，並 不會被轉送至基地台。非穿透式中繼站會自行產生 UL-MAP 資訊，供用戶端執行 CDMA 測距、傳送頻寬請求資訊與傳送資料。當非穿透式中繼站接收到用戶端的資料，並且得 知這些資料是要給基地台，即會以非穿透式中繼站的身分執行頻寬請求的程序，最後透 過穿透式中繼站的協助送至基地台來完成整個流程。
3.4. 資源重複使用
路能夠有效的增加系統容量與覆蓋範圍，但是須消耗許多的資源來 轉送
地台 必須
Interference Table。
Inter
加入中繼站的網
資料，降低了傳輸產能。[10]說明了即使中繼站使用了傳輸速率較高的調變方式，
還是無法有效地改善。尤其在本研究報告中所提出的混合式多重跳躍中繼網路下，部分 資料最多會被傳送三次，傳輸的產能將會大大的降低。因此，資源重複使用(resource reuse;
RR)的機制在多重跳躍中繼網路是必要的。目前現行的IEEE 802.16j相關的資源重複使用 方法主要是針對兩個方向，分別是Spatial independency與MAP Multiplexing。Spatial independency的方法，就是在佈建中繼站時作考量，思考何種佈建方式可以避免中繼站 之間互相干擾，進而讓中繼站可以重複使用資源。[10][11]即提出一個在Manhattan-like 環境的佈建方法，但是這類的方法只適合特定的網路環境，並且須事先規劃好。
MAP Multiplexing是一個適用於動態網路環境下的資源重複使用機制[12]，基 記錄每個站台的存取站台(access station)與可能造成干擾的站台，當基地台在配置資 源時，會透過這些資訊判斷兩個站台是否會造成干擾，如果不會就配置資源給它。如果 會造成干擾，就配置下一個可配置的資源。因此，MAP中就可能會有多筆IE 指向相同 的資源。[13]提出了一個改進[12]的方法，會在每個可配置資源對所有連線做檢查，找 出最大可以使用相同資源的連線，增加了資源重複使用的效果。[14]則提出了一個效果 近似於Graph Multicoloring的演算法，稱為Dual Sorting Greedy(DSG)，有效地提升產能，
並且降低了演算法的複雜度。[12]-[14]所提出的方法都是在實體層為OFDM下所提出 的，但是IEEE 802.16j使用的實體層技術為OFDMA。[15]則根據[12][14]提出了一個改進 的方法，將其套用在只有穿透式中繼站的多重跳躍中繼網路環境，並且適用於OFDMA 技術下。但是我們發現[18]所提出的方法當穿透式中繼站的負擔很大時，將會導致整體 網路的傳輸產能被穿透式中繼站所限制住，形成了一個瓶頸。在我們的混合式多重跳躍 中繼網路環境下，穿透式中繼站需負責轉送用戶端與非穿透式中繼站的資料，此問題更 是容易發生。因此，在本研究報告中我們提出了一個改進的方法。
首先，基地台必須根據拓樸的資訊，產生 Interference Graph 與
ference Graph 為記錄著哪些站台之間會發生碰撞的干擾圖，並且轉換成表格的形 式，即 Interference Table。舉例說明，圖 5為一個混合式多重跳躍中繼網路的例子，其 中有一個基地台、三個穿透式中繼站、兩個非穿透式中繼站與三個用戶端。基地台透過 站台的資訊，建立一個 Interference Graph，如圖 6。兩個節點間有連結表示會互相干擾，
如：所有的穿透式中繼站與 SS1 傳送上行資料的目的端都是基地台，如果這些裝置同時 傳送的話，會造成資料在基地台碰撞，因此這些節點之間都會有連結。基地台接下來轉 換成表格的形式，會建立一個 Interference Table，記錄著拓樸中站台與其他所有站台間 的關係，其中 0 表示兩站台不會互相干擾，1 表示會互相干擾，如圖 7 所示。
圖 5 混合式多重跳躍中繼網路架構的例子 圖 6 Example of Interference Graph
圖 7 Example of Interference Table
4. 結果與討論
環境包括 IEEE 802.16d 點對多點的網路、IEEE 802.16j 穿透式多重跳 躍中
點的網路環境中，整個網路有 1 個基地台與 50 個用戶端。用 戶端
1 個
中繼網路環境中，相較於穿透式網路環境，我們額外加入了 3 個 非穿
的各個網路環境下的模擬結果，並且探討加入資源重複使用機制 與否
16j t-RS relay：IEEE 802.16j 穿透式多重跳躍中繼(IEEE 802.16j t-RS relay) 本計畫之模擬
繼網路、IEEE 802.16j 混合式多重跳躍中繼網路。因模擬環境不同，網路架構會由 基地台、穿透式中繼站或非穿透式中繼站所組成，並且我們在此做了如下假設：全部的 站台皆是固定不會移動、各個站台具有最佳的傳輸路徑(即基地台不做路徑選擇)、只考 慮上行傳輸(upload transmission)、無線通道的品質固定、無線通道無雜訊且不考慮錯誤、
不考慮傳播延遲(即 propagation delay = 0)、穿透式中繼站之間不互相干擾、非穿透式中 繼站之間不互相干擾。
IEEE 802.16d 點對多
的分佈採用均勻分佈。然而，由於基地台的覆蓋範圍有限，僅有 40 個用戶端真正 的取得基地台的服務，其他的用戶端會處於閒置狀態。而基地台會採用兩種調變模式來 傳送資料給用戶端，分別是 64QAM-2/3 用於傳送資料給距離較近(內圈)的用戶端(數目 為 12 個)與 QPSK-3/4 用於傳送資料給距離較遠(外圈)的用戶端(數目為 28 個)。相反地，
用戶端根據它與基地台的距離會採用 64QAM-2/3 或 QPSK-3/4 的調變方式傳送資料。
穿透式多重跳躍中繼網路意思為具有穿透式中繼站的網路。因此，整個網路除了有 基地台與 50 個用戶端外，還有 3 個穿透式中繼站。同樣地，由於基地台的覆蓋範圍 有限，而且穿透式中繼站並無法擴展涵蓋範圍，所以一樣只有 40 個用戶端取得基地台 的服務。而在此環境下，距離基地台較遠(外圈)的用戶端會改由穿透式中繼站負責轉送，
所以用戶端的傳送距離相較於用戶端直接與基地台溝通縮短了許多，因此，用戶端會改 採傳輸速率較高的 64QAM-2/3 來傳送資料。相反地，穿透式中繼站可以使用 64QAM-2/3 傳送資料給用戶端。
在混合式多重跳躍
透式中繼站，並且擺放於基地台的涵蓋邊緣，由於非穿透式中繼站可以擴展涵蓋範 圍，因此 50 個用戶端皆可取得服務，並且非穿透式中繼站採用 64QAM-2/3 的調變方式 傳送資料給用戶端，用戶端同樣採取 64QAM-2/3 的調變方式與非穿透式中繼站溝通。
針對穿透式中繼站而言，除了須轉送用戶端的資料，也必須轉送非穿透式中繼站的資料。
4.1. 結果分析與比較 本小節將分析前述
，所造成的影響。我們會有幾個比較對象，以下列出圖上標示之縮寫對照全名：
16d PMP：IEEE 802.16d 點對多點(IEEE 802.16d PMP)
16j hybrid：IEEE 802.16j 混合式多重跳躍中繼(IEEE 802.16j hybrid)
EE
th RR)
到 3.6 Mbps，封包延遲大約為 370 msec。IEEE
16d PMP 來的高。延遲也大幅的縮短，甚至比 IEEE 802.16d PMP 來的
16j t-RS relay with RR：有 RR 機制的 IEEE 802.16j 穿透式多重跳躍中繼(IE 802.16j t-RS relay with RR)
16j hybrid with RR：有 RR(Resource Reuse)機制的 IEEE 802.16j 混合式多重跳躍 中繼(IEEE 802.16j hybrid wi
圖 8 與圖 9皆是以不同用戶端封包的到達率所得到的端點對端點的總產能與延遲結 果。IEEE 802.16d PMP 傳輸產能最高可以達
802.16j t-RS relay 由於為 2-hop 的架構，部份資料會被多傳一次，訊框架構因而多切割 了一個區間用來轉送資料，佔用了許多資源，所以傳輸產能比 IEEE 802.16dPMP 來的 低，封包延遲也提升許多。儘管用戶端皆採用 64QAM-2/3 的調變方式傳送資料，也無 法有效地改善。至於我們所提出的 IEEE 802.16j hybrid 更因為網路為 3-hop 架構，訊框 架構中有更多的資源被用來轉送資料，因此傳輸產能為最低，封包延遲也迅速竄升。這 也證明當多重跳躍中繼網路如果沒有考慮資源重複使用的機制，轉送資料所造成的負擔 將大幅降低傳輸產能，儘管我們使用傳輸速率較高的調變方式，整體產能還是低於沒有 使用中繼站的網路。
然而，在加入資源重複使用機制後，IEEE 802.16j t-RS relay with RR 有效地增加傳 輸產生，比 IEEE 802.
低。因此，我們可以得知在多重跳躍中繼網路下，資源重複使用的機制是有必要的。
我們所提出的 IEEE 802.16j hybrid with RR 同樣地傳輸產能大幅的改善，雖然我們的混 合式多重跳躍中繼網路是最多三跳躍(3-hop)的架構，但是傳輸產能能夠達到與二跳躍 (2-hop)的 IEEE 802.16j t-RS relay with RR 網路架構差不多。然而，我們的方法不只改善 了網路整體的傳輸產能，另外也擴展了基地台的覆蓋範圍，因而提升所服務的用戶端 數，從 40 個提升為 50 個。因此，我們的 IEEE 802.16j hybrid with RR 同時達到了兩種 中繼站的優點，增加系統容量、改善傳輸效能以及擴展覆蓋範圍。至於延遲部份，有效 地縮短了，但是也因為部份封包需要被傳送三次才會到目的端，所以相較於 IEEE 802.16d PMP 還是高了一點。
圖 8 端點對端點的總產能 圖 9 平均端點對端點的延遲
圖 10 封包 達率所 遲結
。從圖 10我們可以得知，傳輸產能的整體結果與圖 8差不多，主要的原因為當基地台 在配
與圖 11 亦是以不同用戶端 的到 得到的一跳躍的總產能與延 果
置資源供用戶端傳送資料時，會對從用戶端到基地台路徑沿路的站台做檢查，進行 流量控制。因此，IEEE802.16j hybrid 或者 IEEE 802.16j t-RS relay 環境中，位於穿透式 中繼站的下層的站台(用戶端或非穿透式中繼站)，並無法一直傳送封包給穿透式中繼 站，而是基地台會把它限制在穿透式中繼站所能傳送資料量的範圍內，以避免封包阻塞 在穿透式中繼站。在我們所提出的 IEEE 802.16j hybrid 架構中，雖然非穿透式中繼站採
用分散式排程，理論上只要有資源即可配置給用戶端傳送封包。同樣地，為了避免封包 阻塞，非穿透式中繼站會視目前佇列還有多少封包需轉送，來決定是否允許用戶端的頻 寬請求。因此，用戶端傳送至下一節點的總產能大約等於成功傳送至目的端的總產能。
至於延遲方面，我們得知 IEEE 802.16j hybrid with RR 與 IEEE 802.16jt-RS relay with RR 的延遲皆比 IEEE 802.16d PMP 來的低。透過圖 9與圖 11中的 IEEE 802.16j hybrid with RR 的結果，我們可以再一次確認圖 9中延遲之所以比 IEEE 802.16d 來的高，主要原因 為中繼站轉送時花費了太多時間。圖 12 說明了整個頻寬使用了多少資源在傳送資料封 包。整個上行的系統容量為 5.94 Mbps，但是由於需花費部分資源來傳送與轉送頻寬請 求資訊與其他管理資訊，因此 IEEE 802.16j hybrid 與 IEEE 802.16j t-RS relay 分別只使用 了大約 5.5 Mbps 與 5.4 Mbps 來傳送資料封包。當加入資源重複使用機制後，IEEE 802.16j hybrid with RR 與 IEEE 802.16j t-RS relay with RR 甚至達到了大約 8 Mbps 的傳輸速率，
比原本系統容量的 5.94 Mbps 高出許多。由此我們得知資源重複使用的機制，有效地增 加系統的容量。
圖 10 一跳躍的總產能 圖 11 平均一跳躍的延遲
6
0 1 2 3 4 5
0 25 50 75 100 125 150 175 200
Arrival rate (packets/sec)
System Throughput (Mbps)
16d PMP 16j tRS relay 16j hybrid 16j tRS relay with RR 16j hybrid with RR
圖 12 系統總產能 4.2. 結論及未來研究
由於 IEEE 802.16j 標準中所提出的多重跳躍中繼網路，對於如何混用中繼站並無說 都僅是在單一種中繼站下做探討。因此，本研究報告提出了適用 的訊
基地 台無
明，而且現行的研究也
框架構，套用此訊框架構的混合式多重跳躍中繼網路，雖可讓兩種中繼站能夠一起 正常的運作，卻也花費了許多資源於轉送資料，降低了整體的網路產能，也增加延遲。
為了解決此問題，我們加入了資源重複使用的機制，使我們系統的可行性提高。
由模擬結果發現，混合式多重跳躍中繼網路在加入資源重複使用的機制後，可以有 效地增加產能，雖然相較穿透式多重跳躍中繼網路來的低一點，但是我們可支援至
法服務的區域(例如：在實際情況中可能為偏遠地區或是郊區等)，所以可以取得服
務的用戶端也因此增多。因此，我們的混合式多重跳躍中繼網路同時擁有了兩種中繼站 的優點，除了增加了系統容量及傳輸產能外，並且擴展系統涵蓋範圍。針對我們的資源 重複使用機制而言，可以大大地改善系統的產能與縮短延遲，降低了因為轉送資料所造 成延遲過大的影響。
在本研究報告中，訊框架構中的各個區間是以固定式的方式做切割，可能較無法反 映當時的網路狀況。因此，在未來的研究上，我們將針對動態的訊框區間分割做研究，
探討
[1] EE 802 Working Group, “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16:
rface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 1: Multiple Relay
[3]
[
如何根據基地台與中繼站目前的網路狀況作為評估，有效地切割區間。另外，基地 台如何及時地通知中繼站與用戶端關於訊框各個區間的資訊，以確保資源能夠正確地被 使用，也是我們後續研究的議題。
參考文獻
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Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and Corrigendum 1,” IEEE Std 802.16e-2005.
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國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或 應用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能 性）、是否適合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，
作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
達成目標□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：已發表 未發表之文稿
撰寫中 無專利：已獲得 申請中 無 技轉：已技轉 洽談中 無 其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應 用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能 性）（以 500 字為限）
IEEE 802.16 標準所定義的無線寬頻都會網路技術，因能夠提供高速 的無線傳輸並滿足行動用戶的多媒體應用而成為無線通訊的重要技術。
IEEE 802.16j 草案中定義之無線多跳(multi-hop)中繼台(relay station)網路 中，中繼台主要為擴展系統訊號的涵蓋範圍及增加系統傳輸容量，進而達 到增進效能的目的。本研究針對不同類型的中繼台的網路佈建及網路繞徑 及排程，提出有效且可行的方法，其目的就在尋求應用於 IEEE 802.16j 網路環境中之不同中繼台類型及相關排程機制，並探討高速且高移動性之 IEEE 802.16m 網路環境，找出可同時支援 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路環境之換手機制，同時也能滿足確保服務品質(quality of service; QoS) 之封包排程方法，以提供多媒體應用之需求。因此，本研究屬應用研究，
從學術研究之探討出發，繼而發展出新的技術與機制，以結合實用產品之 需求，解決不同使用環境所面臨的問題，謀求有效地改善系統。
國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告
日期： 99 年 8 月 1 日
計畫編號 NSC-98-2221-E-011-156
計畫名稱 使用於 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路的換手機制與混 合式排程之研究
出國人員
姓名 黎碧煌 服務機構
及職稱
國立台灣科技大學 電機工程系教授
會議時間
99 年 7 月 4 日 至
99 年 7 月 7 日
會議地點 Pattaya, Thailand (泰國)
會議名稱
(中文)
(英文) The 25th International Technical Conf. on Circuits/Systems, Computer and Communications (ITC-CSCC 2010)
發表論文 題目
(中文)
(英文) Study on Additional Carrier Sensing Algorithm for IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks
一、參加會議經過
這是一個結合新一代通訊與網路系統的國際學術會議。The 25th International Technical Conf. on Circuits/Systems, Computer and Communications (ITC-CSCC 2010) 研討會主要以電子、計算機、通訊等相關領域之實務應用為主，發表之論 文除了具備基本的理論基礎更須具備實用性，今年度已是本研討會第 25 屆舉 行，其具有相當歷史也顯現其重要性。會中除了一般的論文發表外，還包含了精 彩的 Keynote Speech。本研討會包含三大領域：
Area 1) Device, Circuits and Systems,
Area 2) Computers and Information Technology, Area 3) Communication Systems，包含以下主題:
_ Antenna & Wave Propagation
_ Audio/Speech/Image/Video Signal Processing _ Circuits & Components for Communications _ Signal Processing for Communication/Storage _ Cooperative Communications
_ Cross-layer Design _ IP Networks & QoS
_ MIMO & Space-Time Codes
_ Mobile & Wireless Communications _ Multimedia Communications _ Network Management & Design _ UWB, Cognitive Radio
_ Optical Communications and Components _ RF Systems
_ Ubiquitous Networks
二、與會心得
本次於會中發表論文題目為“Study on Additional Carrier Sensing Algorithm for IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks”，並於發表完畢後，與主持人及現場 學者繼續有相關的討論，對本研究有相當的幫助。再者，在研討會上吸收其他學 者之經驗，以擴展自身的國際觀且對相關領域有更進一步的瞭解。在此次研討會 中，經由和其他學者專家之討論，確實對於相關領域之發展方向及未來之研究趨 勢有更進一步的瞭解。在此，由衷感謝國科會的補助才能有這個機會參與此次的 會議，希望國內學者多參加國際性會議，除了拓展台灣的能見度外，更能開擴我 們的國際視野與提升國際競爭力。
三、考察參觀活動(無是項活動者略)
四、建議
五、攜回資料名稱及內容
研討會論文摘要手冊、光碟版研討會論文集 六、其他
無衍生研發成果推廣資料
98 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：黎碧煌 計畫編號：98-2221-E-011-156-
計畫名稱：使用於 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路的換手機制與混合式排程之研究 量化
成果項目 實際已達成
數（被接受 或已發表）
預期總達成 數(含實際已
達成數)
本計畫實 際貢獻百
分比
單位
備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...
等）
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 0 0 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100%
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國內
參與計畫人力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 1 1 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100% 章/本
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 3 0 100%
博士生 1 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國外
參與計畫人力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
其他成果 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)
無
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
測驗工具(含質性與量性) 0
課程/模組 0
電腦及網路系統或工具 0
教材 0
舉辦之活動/競賽 0
研討會/工作坊 0
電子報、網站 0
科 教 處 計 畫 加 填 項
目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■達成目標
□未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□實驗失敗
□因故實驗中斷
□其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）
IEEE 802.16 標準所定義的無線寬頻都會網路技術，因能夠提供高速的無線傳輸並滿足行 動用戶的多媒體應用而成為無線通訊的重要技術。IEEE 802.16j 草案中定義之無線多跳 (multi-hop)中繼台(relay station)網路中，中繼台主要為擴展系統訊號的涵蓋範圍及增 加系統傳輸容量，進而達到增進效能的目的。本研究針對不同類型的中繼台的網路佈建及 網路繞徑及排程，提出有效且可行的方法，其目的就在尋求應用於 IEEE 802.16j 網路環 境中之不同中繼台類型及相關排程機制，並探討高速且高移動性之 IEEE 802.16m 網路環 境，找出可同時支援 IEEE 802.16j 及 IEEE 802.16m 網路環境之換手機制，同時也能滿足 確保服務品質(quality of service； QoS)之封包排程方法，以提供多媒體應用之需求。
因此，本研究屬應用研究，從學術研究之探討出發，繼而發展出新的技術與機制，以結合 實用產品之需求，解決不同使用環境所面臨的問題，謀求有效地改善系統。
