淺談WiMAX 無線網路無線資源管理

宋朝宰相呂蒙正曾寫下：「馬有千里之程，非人不能自往，人有凌雲之志，非運不能騰達」。以此來比方無線資源管理對無線網路系統的重要性實為再恰當不過，因 為無論無線系統的技術規格再好，沒有搭配相對的無線資源管理就無法發揮其最大系統效能。尤其對 WiMAX 這類的都會無線網路而言，由於涵蓋範圍大且用戶數多，因此無線資源管理技術益顯重要。一般來說，無線資源管理藉由聯合考慮實體層、媒體接取層及網路層等特 性，不僅提升WiMAX網路無線資源運用的整體效能外，也能滿足個別用戶的服務品質需求。以下將分別針對WiMAX無線資源管理架構及相關無線資源管理技 術做一說明，希望透過本文的介紹能讓讀者對WiMAX無線網路無線資源管理有一系統性地認識。 WiMAX 無線資源管理架構 如上所述，無線資源管理需要考慮跨層（Cross-layer）的特性，因此在說明無線資源管理架構時，需搭配整體網路架構才能有完整的輪廓。圖一為 WiMAX論壇所定義之端對端網路參考模型（Network Reference Model），其包含了用戶端（MS）、接取服務網路（ASN）及連接服務網路（CSN）等邏輯元件，其中ASN由WiMAX基地台及接取服務網路閘道 （ASN-GW）組成。WiMAX基地台具備了802.16標準之WiMAX 媒體接取層（MAC）與實體層（PHY）的能力，而ASN-GW則是提供傳輸路由或橋接功能，同時有備用及平衡負載之作用。進一步來說，在圖一中還定義了 R1到R8的參考點（Reference Point）。舉例來說：R1為用戶端到WiMAX基地台的介面，主要由IEEE P802.16標準來規範其上的功能需求；R6為WiMAX基地台和ASN-GW的介面，主要包括基地台控制及後端骨幹資料傳輸相關的通訊協定；R4則為 跨不同ASN之間的介面，作為相互操作管理及傳輸之用。而所謂的無線資源管理其實就是在WiMAX網路中由ASN所執行的功能，目的主要為： 觸發WiMAX基地台及用戶台進行無線資源相關的測量。 將測量的結果傳送至給網路中特定的中心或事前定義的分散式資料庫，而該些資料庫之間能進行彼此的訊息交換。 整理所收集的無線資源訊息，使其成為ASN內其他功能的有用資訊，尤其是換手（Handoff）控制與服務品質管理。 下載鄰近基地台狀態訊息給每一個WiMAX基地台，使其能夠局部性的處理相關訊息，並進行相關無線資源管理動作。 以下就此網路參考模型為基礎，說明可行的WiMAX無線資源管理機制。 圖一：WiMAX網路參考模型（來源：WiMAX Forum） WiMAX無線資源管理機制 WiMAX無線資源管理機制乃 是由兩個邏輯單元：無線資源代理器(RRA)與無線資源管理器(RRC)互相合作來共同完成的，其中RRA位於WiMAX基地台內，而RRC則可存在於基 地台或ASN-GW內。理論上來說，每一個WiMAX基地台都會存在唯一一個RRA，該RRA可以獨立自主地運作或在RRC的管理監督下運作來達到以下目 的： 觸發WiMAX基地台及用戶台進行無線資源相關的測量，該測量包括每一個基地台或用戶台無線資源的使用情況。 產生可使用的無線資源訊息給基地台內的其他功能實體，以便進行相關無線資源管理動作。 另一方面，一個ASN內可以存在多個或沒有任何一個RRC。換言之， RRC在ASN內是選擇性的功能項目。若存在RRC時，則RRC與RRA之間為一對多的關係，也就是說一個RRC可以控制零到多個RRA，然而每一個 RRA最多只能對一個RRC提報其測量所得的相關資訊。一個RRC除了負責與它相聯繫的所有RRA溝通之外，同時負責與其它RRC溝通。圖二為WiMAX 論壇所定義的兩個ASN Profiles。圖二(a)說明了Profile A的參考模型架構，其中RRA與RRC透過R6介面進行溝通，虛線部分指的是訊息報告程序，而實線部分則是決策支援程序，同時RRC彼此之間乃透過R4進 行溝通。此外，圖二(b)說明了Profile C的參考模型架構，其中RRC之間透過R8，也就是基地台間的的介面彼此溝通，至於RRA與RRC之間的介面因存在於基地台內，而可由開發者自行定義。至 於Profile B，由於RRC在ASN內的位置尚在定義中，因此在此不加以描述。 圖二(a)：無線資源管理參考模型一（來源：WiMAX Forum） 圖二(b)：無線資源管理參考模型二（來源：WiMAX Forum） WiMAX 無線資源管理技術 如圖三所示，目前無線資源管理 技術主要在探討以下五個領域，也就是允入控制（Call Admission Control）、封包排程（Packet Scheduling）、功率控制（Power Control）、換手控制（Handover Control）、負載平衡（Load Balance）。事實上這些技術領域並非彼此獨立，反過來說某一對應模組的決定結果都跟其他模組息息相關。一般說來，允入控制是觸發無線資源管理動作的 起始點，因為當允許一個用戶進入到網路並建立連線後，原有的封包排程、功率控制及負載平衡都得因應此新的改變進行調整。同樣地，當某一用戶必須做換手動作 時，相對應的允入控制及封包排程等也必須參與此換手過程。以下針對此五大領域做進一步說明： 允入控制：針對註冊成功的每一個用戶目前連線狀態及其使用者喜好設定進行相關資 訊的管理，以有效管理連線到該基地台的用戶。傳統來說，允入控制主要有使用者限制（User-limited）及干擾限制（Interference- limited）兩種作法，對WiMAX網路系統來說，使用者限制的作法應可優先考慮，而以不降低整個網路系統傳輸效能做為允入的主要準則。 封包排程：針對每個用戶個別服務的服務品質進行相對的管理，以便系統做適當的資 源配置及資料排程，進一步符合個別服務流（Service Flow）的最基本服務品質要求。目前在WiMAX網路中，設計支援Constant Bit Rate、Real-time Variable Bit Rate、Extended Real-time Variable Bit Rate、Non-Real-time Variable Bit Rate、及Best Effort等五類服務。原則上不同服務類別間的頻寬管理（Traffic Shaping）可利用不同的加權優先等級來保證傳輸資料的頻寬。值得一提的是：由於WiMAX PHY本身具有動態改變傳送資料的編碼及調變，這意味每一個實體層符元（Symbol）能承載MAC的位元數將有極大的不同，因此在每一個無線訊框 （Radio Frame）中，應該以當時使用的編碼及調變設定，將要傳送資料的位元數換算成實體層符元數後，才進行排程。 功率控制：傳統上功率控制有上下傳兩路的控制，主要目的是在同系統干擾最小化的 條件下，能因應無線通道的變化而讓對方能正確收到資料。，以WiMAX來說，僅針對上傳部分進行閉迴路（Closed Loop）與開迴路（Open Loop）兩類的功率控制。閉迴路功率控制主要是在初始/週期測距（Initial/Periodic Ranging）時調整上傳之傳輸功率；開迴路功率控制則是由用戶台透過一演算法調整上傳之傳輸功率，使其所使用之每一子通道之功率維持一定值。 換手控制：當使用者在不同基地台之間移動時，透過換手技術能將使用者轉移到通訊 品質較佳的基地台，以確保使用者在移動時仍能維持一定的通訊品質。目前WiMAX網路支援快速基地台切換（Fast BS Swichting；FBSS）及廣分集換手（Micro-Diverisity Handover；MDHO）兩類，在換手的觸發條件上，除了考慮接收信號強度的變化外，平衡鄰近基地台的負載也可列入考慮。 負載平衡：為調整不同基地台在上下傳方向的負載情況，使單一基地台負荷過重的情況不至於發生，以降低同系統的干擾，進一步提升網路整體效能。以WiMAX系統而言，可依據使用者的子通道的通道狀況及其服務之優先順序，進行子通道選擇及借調的方式來達到平衡負載的目的。 圖三：無線資源管理技術領域 結論 WiMAX 無線系統的一個重要關鍵在於 IEEE 802.16 技術規範未提及的MAC/PHY管理模組，這將會對整體系統效能良窳產生重大的影響。而無線資源管理將是該管理模組的重要技術之一。然而如同先前所述，無 線資源管理本身是一種跨層設計的技術，同時也需要許多實際網路的現場測試及參數矯正，才能確保整個無線網路系統的運作效能如預期地向上提昇，而不是向下沈 淪。