繼上期介紹了穿透式(Transparent)中繼站的相關技術規範後，本期將介紹在功能上較為複雜的非穿透式(Non-transparent)中繼站。就某些角度來看，非穿透式中繼站就像是位於基地台(Multihop Relay Base Station, MR-BS)與用戶端(Subscriber Station/Mobile Station, SS/MS)之間的一個子基地台(Sub Base Station)。非穿透式中繼站的主要使用形態為在基地台的涵蓋邊界架設非穿透式中繼站，使得在涵蓋邊界外之用戶端可以透過該中繼站與基地台達成連線並取得服務，以達到擴展系統涵蓋範圍之目的。
非穿透式中繼站實為子基地台
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資料來源：IEEE C80216j-06/132
圖1 非穿透式(Non-Transparent)中繼站 |
非穿透式中繼站的角色就如同基地台一樣，會傳送前置訊號(Preamble)、FCH、DL/UL MAP等廣播訊息，以使得其覆蓋範圍內之用戶端能與其達成同步；而用戶端亦將其視為一個基地台並透過其傳送及接收資料，但網路進入相關程序及服務控管仍須由基地台及後端核心網路所主導。圖1為一個二次跳躍(2-hop Relay)的非穿透式中繼站網路系統示意圖，MS取得來自中繼站(RS)的廣播訊息以達成與中繼站之時序同步，之後與MR-BS進行網路進入的動作與資料收送的行為皆得靠中繼站代轉。由於用戶端可能不在基地台的涵蓋範圍內，所以不論上行或下行資料，都須透過中繼站進行轉送的動作，這一點是與穿透式中繼站不同之處。(穿透式中繼站可以只提供上行資料的轉送，請參考上期)
在IEEE 802.16j中，路由的工作完全是由基地台與中繼站來完成，中繼資料傳送的路由方式目前分為兩類共三種模式，第一類是使用通道(Tunnel)的方式來傳送；第二類則是使用連線識別碼(Connection Identifier, CID)的方式來傳送。
所謂通道是建立於基地台與存取中繼站(與用戶端連接的中繼站)之間的特定路徑，使用通道的資料傳送方式稱為通道封包模式(Tunnel Packet Mode)，是採用IEEE 802.16j標準中新制定的中繼媒介存取控制標頭(Relay MAC Header)作為資料封包的傳送資訊。
第二類則包括另外兩種模式，第一種稱為基於連線識別碼的傳送模式(CID Based Forwarding Mode)，該方法是以既有的通用媒介存取控制標頭(Generic MAC Header)中的連線識別碼作為傳送依據。第二種稱為基於資料叢的傳送模式(Burst Based Forwarding Mode)，是以特定的排程資訊單元(MAP IE)為索引來傳送資料。
依中繼站的型別(穿透式與非穿透式)以及網路拓撲的階層數之不同，其所可採用的中繼資料傳送模式也不盡相同，表1為其分類及相對應之可採用傳送模式。
| 表1 中繼資料傳送方式 |
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穿透式中繼站 |
非穿透式中繼站 |
| 二次跳躍 |
Burst Based Forwarding Mode或CID Based Forwarding Mode |
Tunnel Packet Mode或CID based forwarding mode |
| 多重跳躍 |
穿透式中繼站不支援二次以上的多重跳躍 |
Tunnel Packet Mode與CID Based Forwarding Mode |
資料排程與訊框架構剖析
在具有非穿透式中繼站的網路系統裡，資料排程可依負責排程者的角色不同而將其分為集中式排程(Centralized Scheduling)與分散式排程(Distributed Scheduling)兩類。集中式排程是由基地台統一進行排程，而分散式排程則是基地台與中繼站分別對自己負責的使用者進行排程。
由於非穿透式中繼站可支援兩次以上的多重跳躍，所以在超過兩次跳躍的網路系統中，其資料排程更為複雜且在設計上必更加小心謹慎，以避免資料在非預期的時間收送而發生資料遺漏的狀況。以集中式排程為例，基地台除了進行其本身與下層中繼站及用戶端之間的資料排程，亦須負責下層中繼站與更下層中繼站之間的資料排程，所以系統內各中繼站的可用資源與傳輸能力都必須由基地台統籌規劃；然而在分散式排程下，基地台和各中繼站僅須負責其本身與下層節點間的資料排程，在排程設計上較為單純，但各站台間的資源與能力協調就相對來的重要。總之，在以樹狀拓撲為基礎的WiMAX中繼站網路系統中，任一階層所有連結上的資料排程，都必須在基地台或中繼站的精細安排下順利將資料在預期時間送達預期站台。另外，在同一條傳送路徑上的所有中繼站，其資料排程方式要相同，意即同一條傳送路徑上不能同時具有集中式排程與分散式排程的中繼站。
訊框(Frame)是WiMAX網路系統中的時序單位，基地台及非穿透式中繼站必須依資料排程的結果將資料分配於訊框架構中，中繼站及用戶端可依資料傳送模式的不同取得資料的索引資訊，並依其資訊內容在安排的時間及通道傳送或接收資料。圖2為IEEE 802.16j所定義的非穿透式中繼模式之訊框架構，包括基地台與非穿透式中繼站的訊框架構。其訊框架構依資料傳輸的方向區分為下行子訊框(DL Subframe)及上行子訊框(UL Subframe)。
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資料來源：IEEE P802.16j/D3
圖2 非穿透式中繼模式之訊框架構 |
在下行子訊框及上行子訊框皆又各分為兩區，分別是存取區(Access Zone)及中繼區(Relay Zone)，下行存取區(DL Access Zone)是用來給基地台及中繼站傳送給用戶端或下層中繼站的下行資料，下行中繼區(DL Relay Zone)則是給中繼站用來接收來自基地台或上層中繼站的下行轉送資料；上行存取區(UL Access Zone)是用來給基地台或中繼站接收來自用戶端的上行資料，而上行中繼區(UL Relay Zone)則是讓中繼站傳送上行轉送資料給基地台或上層中繼站。
調距動作為網路進入之核心
上期提到中繼站的網路進入(Network Entry)程序，大致上與用戶端的網路進入程序相去不遠，但由於中繼站在進入網路後的角色為資料轉送的中繼點，所以在網路進入程序的最後一階段，基地台須配置其相關操作參數。這些參數包括中繼站的資料排程方式(集中式或分散式)、中繼資料傳送模式等相關設定。此階段亦包括取得中繼連結參數(Obtain R-link Parameters)與連線識別碼配置(CID Allocation)等步驟。取得中繼連結參數是為了讓中繼站在中繼區(包括上行及下行)能正確接收或傳送資料，而連線識別碼配置則是對於支援區域連線識別碼配置模式(Local CID Allocation Mode)的中繼站，更新其所負責分配給用戶端的連線識別碼。
調距運作流程
當網路系統中有中繼站的存在，且用戶端須透過中繼站進行網路進入的程序時，最主要的階段是調距(Ranging)過程。以下就不同型別的中繼站來探討用戶端如何透過其進行調距。
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首先基地台透過廣播訊息(UL-MAP)讓中繼站及用戶端知道調距區間(Ranging Region)的所在。中繼站監測該區間並接收到用戶端在該區間所發出的初始調距碼(Initial Ranging Code, IR Code)後，透過新制定的中繼碼報告訊息(MR_Code-REP Message)將調距碼的內容告知基地台，之後由基地台直接發送調距回覆訊息(RNG-RSP Message)給用戶端作為其調距的準則。這樣的動作持續到調距成功，用戶端會發送帶有本身MAC位址的調距要求訊息(RNG-REQ Message)，並透過中繼站的轉送，讓基地台回應帶有管理連線識別碼(Management CID)的調距回覆訊息，完成整個調距動作(圖3)。
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| 圖3 用戶端透過穿透式中繼站進行調距 |
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由於非穿透式中繼站必須發送自己的廣播訊息，所以在集中式排程的狀況下，其廣播訊息的內容是由基地台所提供。因此基地台會先發送新制定的RS_Access-MAP訊息給中繼站，中繼站透過該訊息的內容去組成自己的廣播訊息並將其廣播給用戶端。然後用戶端依廣播訊息內的調距區間資訊發送初始調距碼，中繼站在收到調距碼後會自己發送調距回覆訊息給用戶端作為其調距的準則，但要發送該訊息前必須先向基地台要求頻寬才行。直到調距成功後，中繼站將調距碼資訊透過中繼碼報告標頭(MR_Code-REP Header)告知基地台，基地台就會配置對應的頻寬給用戶端發送帶有本身MAC位址的調距要求訊息，中繼站將調距要求訊息轉送給基地台並轉送調距回覆訊息給用戶端後，就完成了調距動作(圖4)。
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| 圖4 用戶端透過集中式排程之非穿透式中繼站進行調距 |
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至於分散式的非穿透式中繼站，因為其資料排程不須透過基地台，所以調距行為只會在中繼站與用戶端之間進行，其行為就和原本沒有中繼站的網路系統一樣，只是中繼站取代了基地台的角色。唯一不同點是，如果中繼站不支援區域連線識別碼配置模式，則當調距成功時，用戶端所發出帶有本身MAC位址的調距要求訊息必須透過中繼站轉送給基地台，讓基地台回應帶有管理連線識別碼的調距回覆訊息給中繼站向下轉送至用戶端(圖5)。
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| 圖5 用戶端透過分散式排程之非穿透式中繼站進行調距 |
當中繼站完成網路進入程序後，仍必須傳送某些管理訊息，像是採用集中式排程的非穿透式中繼站必須發送訊息給用戶端或其下層中繼站時，也必須先向基地台或其上層中繼站要求所需頻寬。為了應付不時的頻寬需求，在中繼站進入網路後，基地台就可以先固定分配一段上傳專用通道(UL Dedicated Channel)給中繼站，讓中繼站利用其傳送所需管理訊息。另外在IEEE 802.16j裡針對中繼站定義了兩種新的頻寬要求方式，分別是透過中繼站頻寬要求標頭(RS Bandwidth Request Header)或使用中繼站專用碼(RS Dedicated Code)向基地台要求頻寬。中繼站頻寬要求標頭只有在採用集中式排程的非穿透式中繼站才會使用到，其目的是用來要求中繼站本身對用戶端或其下層中繼站的下行訊息(如RNG_RSP、DCD/UCD等)之所需頻寬。而中繼站專用碼則是針對特定的頻寬要求，由基地台在中繼站進行網路進入時指派給每一個中繼站其獨立的專用碼。一旦基地台收到事先指派的中繼站專用碼，就可以直接為該中繼站分配出相對應的頻寬。 |
因地制宜方可加速WiMAX商業化速度
不論是穿透式中繼站或非穿透中繼站，皆各有其特性及優勢所在，為了達到擴展系統涵蓋範圍及提升系統傳輸能力等目的，在WiMAX中繼站網路系統的設計上仍有值得探討與待克服的問題，包括網路拓撲的建構以及中繼站布點等議題，待有良好的解決方案後，方能使得整體系統在環境建設上降低成本，加速相關營運業者對WiMAX中繼站網路系統於市場商業化的腳步。
(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)