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新電子  2011/9  陳仁暉/蕭玉芳/連挺鈞
4G技術標準其中一條支線--IEEE 802.16m的任務群組(Task Group)在去年底已投票完成IEEE 802.16m Draft 12版本修正,並送交聯合國ITU-R IMT-Advanced標準委員會,成為正式的4G國際標準成員之一,為WiMAX技術發展奠定重要基石。

全球微波存取互通介面論壇(WiMAX Forum)中的網路工作群組(Network Working Group, NWG),已於今年正式以此Draft 12版文件做為開發WiMAX-Advanced(WiMAX2)網路應用技術的基石。此舉使IEEE 802.16m具備更加完整化的應用設定,也更能藉該標準來顯現WiMAX的獨特性,達到相輔相成的效果。鑑於此新進展可望為WiMAX再添動能,且逐漸 吸引產業的目光,本文將針對IEEE 802.16m Draft 12的訊框架構(Frame Structure)進行初步介紹。  

訊框架構更細膩 

IEEE 802.16m的多工計畫(Duplex Scheme)技術是以訊框架構支援分時雙工(TDD)、分頻雙工(FDD)及半分頻雙工(Half-Duplex Frequency Division Duplex, H-FDD)三種模式進行,任何一種多工技術皆可獲得標準支援。在此前提下,FDD與TDD間最大的差異在於前者所需求的頻寬大於後者,而頻寬需求居中的 H-FDD模式則比前者更低(因為使用半雙工模式),但在造價上則與後者相當。  

不論使用何種傳輸模式,IEEE 802.16m標準採用以訊框的方式,做為傳輸通訊的基本單位。為與舊有的IEEE 802.16d/e系統相容,每一個訊框的傳輸時間為5毫秒(ms)長,包括一次下行(Downlink, DL)與上行(Uplink, UL)持續時間。唯一不同於IEEE 802.16e的傳輸方式為802.16m另將每四個訊框組織成一個更大的超級訊框(Superframe),總時間長為20毫秒。同時每一個訊框在時間 軸上再分割為八個等長或不等長的子訊框(Sub Frame, SF),或稱為AAI子訊框(Advanced Air Interface-SF)。圖1所示為多個超級訊框連續排列,以及一個超級訊框由四個訊框,且一個訊框由八個子訊框組成的架構概略圖示。  

圖1 超級訊框結構

完成資訊收集/同步化 SFH/前置訊號各司其職   

在圖1所示架構中,每一個超級訊框的週期皆有一個超級訊框標頭(SFH)以供先進行動基地台(Advanced Mobile Station, AMS)進行相關資訊收集。而超級訊框標頭會占用第一個訊框之下的第一個AAI子訊框位置,以進行由通訊基地台(Base Station, BS)傳輸給先進行動基地台的資料使用。  

此外,每一個訊框在第一個正交分頻多重存取符元(OFDMA Symbol)的所在位置上皆會出現前置訊號(Preamble),用來提供重要的同步化(Synchronization)資訊使用。以IEEE 802.16m標準規範而言,前置訊號被分為兩類,分別是主先進式前置訊號(Primary Advanced Preamble, PA-Preamble)與次先進式前置訊號(Secondary Advanced Preamble, SA-Preamble)。此兩類出現順序,依序為圖1的F0(SA-Preamble)、F1(PA-Preamble),以及F2(SA- Preamble),而最後一個訊框(F3)則沒有前置訊號的需求。  

緊接著以圖2顯示多個前置訊號及一個超級訊框標頭在一個超級訊框中出現的位置。新設計的IEEE 802.16m標準協定在執行同步時,將原本在IEEE 802.16e所傳輸的前置訊號分割為兩小塊,各為一個主先進式前置訊號與次先進式前置訊號。  

圖2 次超級訊框標頭與前置訊號位置圖

任何欲在IEEE 802.16m傳輸的先進行動平台皆須收到完整的前置訊號才能參與傳輸,而次先進式前置訊號傳輸兩次的用意則在於與IEEE 802.16e進行相容。 

4G技術標準其中一條支線--IEEE 802.16m的任務群組(Task Group)在去年底已投票完成IEEE 802.16m Draft 12版本修正,並送交聯合國ITU-R IMT-Advanced標準委員會,成為正式的4G國際標準成員之一,為WiMAX技術發展奠定重要基石。
固定AAI子訊框時空參數 超級訊框標頭井然有序 

另一方面,一個完整的訊框架構包含一個下行及一個上行變數(Period)區間(圖3)。一個下行變數可由多個AAI下行子訊框所組成,同樣的,一個上行 變數也可由多個AAI上行子訊框所組成。圖3的範例為五個AAI下行子訊框及三個AAI上行子訊框的組合,每一個訊框皆由八個AAI子訊框所組成。而每一 個AAI子訊框皆由時間及空間組成,分別以OFDMA符元代表時間;邏輯資源單元(Logical Resource Unit, LRU)代表空間。  

圖3 IEEE 802.16m標準的訊框結構

與此同時,一個AAI子訊框是由四十八個LRU所構成,每一個LRU可乘載的位元數則由相應的調變(Modulation)與編碼率(Coding Rate)所決定。而每一個AAI子訊框依不同的型別,分別占用不同時間大小,至於是何種數值必須由參數來設定。  

由於超級訊框標頭會固定出現在第一個AAI下行子訊框裡,且僅占用五個OFDMA符元,假設第一個AAI下行子訊框使用六個OFDMA符元,第一個符元將 會被空出來不使用。此外,一個超級訊框標頭是由主超級訊框標頭與次超級訊框標頭組成,且其最多不得超過二十四個邏輯資源單元LRU,因其餘空間須用來安排 Advanced MAP(A-MAP),若尚有可用LRU,才能用於安排一般下載的資料空間。  

值得注意的是,在標準規格中共有三種不同的次超級訊框標頭,分別具有不同的功能和相應的資訊,包括用於重新登入系統的SP1、用於新登入系統的SP2、用 於系統設定參數的SP3。而主超級訊框標頭則是用來指示次超級訊框標頭所屬類型,故在規格中,對於次超級訊框標頭的出現順序另有規定,如圖4所 示,SP1、SP2與SP3分別以40毫秒、80毫秒和160毫秒為週期固定出現(每一個超級訊框僅出現三者中的其中之一),若有空白時段則可安插任何次 超級訊框標頭出現。  

圖4 超級訊框標頭的出現順序

A-MAP負責上下行資料傳輸通知 

就IEEE 802.16m的排程通知而言,主要是由A-MAP來進行上行及下行資料傳輸安排的通知,其依用途區分可分為非特定使用者(Non-user Specific)控制、分派(Assignment)、整合式自動重傳回覆(HARQ Feedback)、功率控制(Power Control)等四種資訊類別。最重要的是,非特定使用者控制A-MAP在於告知此AAI子訊框中分派A-MAP的數量,而分派A-MAP共有多種型別 (表1)。  

由於A-MAP資訊元素(Information Element, IE)僅會出現在AAI下行子訊框中,因此在DL的排程規畫中,每一次的下行基本(Basic)分派A-MAP資訊元素即是指該次的AAI下行子訊框排 程。而上行基本分派A-MAP資訊元素內容即在指AAI上行子訊框中上行叢集(Burst)的所在位置。  

而圖5所示為A-MAP資訊元素區域(Region)的分配圖。在A-MAP區域的第一個A-MAP資訊元素為整合式自動重傳回覆A-MAP,其用於為針 對上行區塊叢集(Uplink Block Burst)進行整合式自動重傳回覆時使用。其次,功率控制A-MAP資訊元素則針對先進行動基地台的傳輸功率進行控制。  

圖5 A-MAP區域示意圖

優化資源配置/移動性支援 802.16m開拓WiMAX視野  

IEEE 802.16m為一個新式架構的4G通訊協定架構,且能與行動WiMAX(IEEE 802.16e)相容。在實體層方面採用OFDMA技術,提供較有彈性的資源配置,此外使用多重輸入多重輸出(MIMO)技術來提升傳輸速度,對於支援移 動性功能也更加強通道估測及回報機制。  

本文僅針對IEEE 802.16m的通訊架構方面做初步介紹,更為深入的資訊可參考IEEE 802.16m的相關標準或研究資料。  

(本文作者陳仁暉為長庚大學資訊工程學系副教授、蕭玉芳任職於資策會網多所、連挺鈞就讀於長庚大學資訊工程學系碩士班)


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