通訊品質及服務涵蓋範圍絕對是用戶相當關切的要點，對於常常斷線或收不到訊號的服務使用者是不會滿意的。然而為了增加服務範圍、減少基地台訊號無法涵蓋處、同時能服務更多的使用者而大量地佈建基地台，其建設所需的土地空間、住戶回饋金、網路佈線及施工時間等造成的高昂建置成本，卻也是系統營運商不得不考量的因素。利用中繼站（Relay Station）的技術來延伸覆蓋範圍，輔助基地台佈建的不足，由於不需要有線骨幹網路支持，加上設備價格較低且鋪設速度快，這幾年在無線寬頻網路領域逐漸受到重視。

非穿透式中繼站可延伸覆蓋範圍

IEEE 802.16j標準定義了兩種中繼站模式，穿透式中繼站（Transparent Relay Station）及非穿透式中繼站（Non-Transparent Relay Station）。穿透式中繼站主要用途在加強用戶端的傳輸訊號，增進用戶傳輸品質進而提高資料傳輸率。非穿透式中繼站的主要使用型態則是架設在基地台涵蓋範圍之邊界，使不在基地台覆蓋範圍內之使用者也能透過中繼站達成連線並取得服務。如圖一所示，中繼站成功彌補了基地台訊號無涵蓋之處。此種情況較常見於用戶量較少未達到經濟規模之地點，藉由設立中繼站來代替基地台以降低佈建成本。

《圖一　非穿透式中繼站（Non-Transparent Relay Station）》 資料來源：IEEE C80216j-06/132

由於16j是基於16d及16e再往上延伸之新標準，其目標是在不改變現有用戶端的前提下，去擴展16e移動式WiMAX基地台的覆蓋範圍及提升系統容量，因此非穿透式中繼站要扮演一個基地台的角色，在用戶端面前表現出WiMAX基地台的行為，包括傳送前置訊號、訊框控制標頭（FCH）、下行與上行排程控制訊息（DL-MAP/UL-MAP）等。而對用戶端來說，雖然是與中繼站取得同步，並透過中繼站幫忙代轉與基地台之間包括下行與上行之資料，但整體之行為模式則有如是面對一個WiMAX基地台一般。

非穿透式中繼站的運作方式

非穿透式中繼站依據傳輸模式的不同，可以分為TTR（Time-division Transmit and Receive）和STR（Simultaneous Transmit and Receive）兩種模式。在TTR中繼模式中，中繼站接收上層基地台資料與傳送資料給下層用戶端是在不同時間進行，而中繼站接收下層用戶端資料與傳送資料給上層基地台也是在不同時間進行。而在STR中繼模式中，中繼站則會在同一時間內同時接收上層基地台資料以及傳送資料給下層用戶端，以及在同一時間內同時接收下層用戶端資料以及傳送資料給上層基地台。

《圖二　IEEE 802.16j定義之TTR中繼模式訊框架構》 資料來源：IEEE 802.16j Draft 9

TTR中繼模式的訊框架構如圖二所示，其中下行子訊框與上行子訊框，分別用於上行資料與下行資料之傳輸，這兩組子訊框分別又再進一步被切割成Access Zone和Relay Zone兩種區段。在Access Zone區段中，基地台和中繼站仍然提供其各自服務之用戶端上行與下行服務。由於IEEE 802.16j的目標是在用戶端不做任何更動的情況下依然可以運作，因此在此區段的所有行為必須符合IEEE 802.16e的標準，亦即中繼站在此區段中呈現出一個基地台的角色。至於Relay Zone區段則用於基地台與中繼站間、或中繼站與中繼站間之傳輸，此時位於下層之中繼站扮演著用戶端的角色與上層基地台互動，而用戶端在此區段中則不做任何動作。

非穿透式中繼站的下層不一定只能服務用戶端，有可能再連接另一個中繼站 （穿透式或非穿透式），若為非穿透式中繼站，則可再繼續往下連接，一層層串連下去形成多重躍進中繼模式。在這情況下，兩個相連中繼站的其中一個便需要在Relay Zone區間變成如基地台服務中繼站的角色來與另一中繼站互通。對於TTR中繼站來說，在多重躍進中繼模式時可將基地台與中繼站分組，然後以多個訊框為單位來安排基地台與中繼站的行為。例如，在分成兩組的方法下，可以在一個訊框中，安排處於奇數節點之中繼站來轉送資料，此時基地台與偶數節點之中繼站則負責提供服務，然後下一個訊框再將兩組的角色對調，以此類推，藉以達成多重躍進中繼。如果想要減少資料傳輸的延遲時間，也可在同一訊框中切出多個Relay Zone區間，在不同的Relay Zone區間中分組讓中繼站之間輪流轉送資料。

STR中繼站則是同時使用兩根天線來分別與上層基地台連線以及提供下層用戶端服務。如圖三所示，天線1扮演著用戶端的角色，在下行與上行子訊框中分別接收基地台的資料以及傳送資料給基地台，天線2也在同一時間扮演著基地台的角色，提供底下用戶端下載與上傳的服務。如果STR中繼站沒有與TTR中繼站共同存在於系統中，則圖三中Relay Zone區間可以省略，將訊框簡化成如IEEE 802.16e之訊框架構。

《圖三　IEEE 802.16j定義之STR中繼模式訊框架構》 資料來源：IEEE 802.16j Draft 9

排程管理有兩套

在非穿透式中繼站的系統中，頻寬資源的分配可分成集中式與分散式排程。在集中式排程中，所有頻寬資源的分配都由基地台決定，基地台將分配結果通知中繼站，中繼站再將結果包裝成MAP，廣播給其下層用戶端。反過來說，在分散式排程中，中繼站對其下層用戶端之頻寬分配則是由中繼站自己決定，在收到用戶端的資料後，經過整理再轉送給基地台。要注意的是，不論是集中式還是分散式排程，中繼站能控制的只是其下端頻寬資源的分配，至於使用者的管理，如入網允許控制、服務流建立與管理，仍是由基地台與用戶端間點對點進行，中繼站僅負責在兩者間轉送資料之工作。

安全加密不可少

非穿透式中繼站的密碼管理可分為集中式與分散式兩種。在集中式的密碼管理中，用戶端直接與基地台建立其安全機制，中繼站僅作為中間轉送之媒介；由於中繼站並不握有其下層用戶端所用之金鑰，因此對於上層基地台或下層用戶端經過加密之資料，中繼站並無法解讀，僅能將其接收到的東西原封不動的轉送出去。

至於在分散式密碼管理機制中，用戶端之安全機制則是跟中繼站建立。基地台在中繼站進行入網程序時除了跟中繼站協調一套加密方式，同時有交給中繼站一些金鑰，讓用端戶端在透過中繼站進行入網程序時，中繼站可以用這些金鑰與戶用端建立兩者間之加密機制。當中繼站收到經過用戶端加密之資料時，中繼站必須先用其與用戶端間的金鑰將資料解密，再用中繼站與基地台間共同的金鑰將資料重新加密然後轉送給基地台，基地台才能用其與中繼站間之金鑰將資料解密並處理。反之，基地台欲傳送給用戶端之資料，若經過加密，中繼站亦需先將資料解密再用其與用戶端間之金鑰將資料重新加密後再轉送給用戶端。

路徑管理有必要

在IEEE 802.16j系統中的網路拓樸是以樹狀架構展開，亦即每一個中繼站或基地台往下可以再接多個中繼站，但往上只會有一個提供服務之中繼站或基地台。由於在下行方向路徑不止一條，因此路徑管理變成有其必要性。如圖四所示，每個中繼站與基地台之間都將形成一條路徑，並由基地台統一管理所有的路徑然後告訴每個中繼站。

《圖四　非穿透式中繼站路徑管理》 資料來源：專案自行繪製

IEEE 802.16j標準定義了兩種路徑管理方式，即嵌入式路徑管理及明確式路徑管理。在嵌入式路徑管理中，基地台以連線識別碼（CID）為依據來決定路徑。如圖五(a)所示，基地台將固定範圍的CID分配給底下的中繼站，例如1-1000的CID分配給中繼站B，1001-2000的CID分配給中繼站C；每個中繼站再將其所得到CID分組分給其底下之中繼站，如此只要從CID便可以馬上找到其路徑。例如在圖五(a)中，使用CID為750之用戶端必在中繼站B之底下，而CID為1030之用戶端則是直接由基地台提供服務。使用CID分配的方式也可以使用位元分割來分組，如圖五(b)，所有由基地台直接服務之用戶端其CID之前六位元均為0b000000，而由中繼站F所服務之用戶端其CID之前六位元則均為0b001000。

《圖五　嵌入式路徑管理範例》 資料來源：IEEE 802.16j Draft 9

明確式路徑管理則是透過路由表明確指出每個CID所屬之路徑。每當有新的用戶端或者中繼站進入網路時，基地台決定其路徑並將結果通知路徑上的每個中繼站，中繼站再將該用戶端或中繼站所有之CID與路徑鍵入其路由表。當網路拓樸發生改變，例如用戶端因為移動換手而改變其服務之節點，此時基地台必須通知在舊路徑上之所有中繼站刪除其路由表中所有該路徑相關之資訊，同時通知新路徑上之所有中繼站新增該路徑。

中繼資料傳送的路由方式則分為幾種模式，第一種為使用通道的傳送方式，亦即在基地台與存取中繼站（與用戶端連接之中繼站）間建立一條特定之路徑，位於路徑之起點者將所有要轉送之資料打包封裝並加上IEEE 802.16j新制訂的中繼媒介存取控制標頭（Relay MAC Header）作為通道之傳送資訊，透過通道傳送後，位於路徑之終點者再將中繼媒介存取控制標頭移除並將資料拆裝。

另一種傳送方式則是基於連線識別碼的傳送（CID Based Forwarding）。此種方法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輸依據，中繼站在此方法中必須擁有一套排程機制在能盡量符合每位使用者服務品質的情況下進行資料轉送。

速度決定勝負

現代無線通訊系統使用越來越高的頻段進行傳輸雖然帶來高頻寬的好處，然而其穿透力差的特性卻也造成室內環境收訊品質不佳的問題。近來在無線通訊領域備受矚目的毫微微蜂巢式基地台（Femtocell），因為價格低廉且發射功率較低（100毫瓦以內），在打入家庭市場以擴充室內服務範圍這方面變成熱門的討論話題；且電信業者可將資本支出成本轉移至消費者身上，使得此一技術之發展飽受關注。不過Femtocell的發展還是必須與現有固網業者合作，對於區域網路佈建尚未完善之區域或偏遠地方，非穿透式中繼站因為其使用無線資源連接回後端骨幹網路的特性而有佈建上的優勢。

對於目前營運剛起步的WiMAX來說，由於用戶數量還不太多，如果能在使用最少基地台的情況下，用最快的速度和最低的成本迅速達成服務最多的使用者，可以預見將會是WiMAX成功與否的一大關鍵。在電信基地台抗爭問題日益嚴重的情況下，這種透過超小型基地台來提升服務涵蓋率及降低佈建成本，似乎已經成為一種新的思考方向。

---本文作者任職於資策會網路多媒體研究所---