WiMAX 技术与产业现况

28第三章WiMAX技術與產業現況3.1WiMAX相關技術3.1.1IEEE802.16所屬各項標準與WiMAX論壇IEEE於1999年設立802.16工作小組，主要負責開發寬頻無線接入技術標準，標準涵蓋2～66GHz的執照頻段和免執照頻段。在802.16中作小組的系列標準發展藍圖中，發展的時程共分為三個階段。第一階段是固定無線寬頻(FixedBroadbandWireless)，配合的終端產品為無線寬頻數據機。第二階段是移動無線寬頻(PortableBroadbandWireless)，配合的終端產品型態為無線通訊模組並安裝在筆記型電腦內。第三個階段是行動無線寬頻(MobileBroadbandWireless)，終端產品型態為模組並且可與手機、PDA等手持式產品搭配。截至目前為止，802.16工作小組已通過802.16、802.16a、802.16-2004(802.16d)、802.16e-2005(802.16e)、802.16f等標準。802.16標準制定於2001年，其定義的工作頻段為10~66GHz，只限於點對點的資料傳輸方式，傳輸路徑必須是視距直線，且有固定的頻寬限制。802.16a標準制定於2003年1月，定義的工作頻段為小於11GHz，支援多點傳輸，傳輸路徑可以在非視距直線範圍，並可隨環境調整傳輸所需的頻寬。802.16-2004於2004年通過，融合了802.16、802.16c-2002、802.16a-2003標準並加以補強，因為是d工作小組所推動，又稱為802.16d。其工作頻段與802.16a相同，小於11GHz，並納入協調頻譜與產品驗證設計的規範。802.16e-2005的標準是基於802.16-2004的標準，但是增加了對移動性的支援，工作頻段為小於11GHz，於2005年12月通過。幾個標準的發展沿革如圖3.1，而各項標準及特性整理如表3.1。29圖3.1802.16系列標準發展歷程示意圖資料來源：IEEE802.16-2005AirInterfaceOverviewe(p.2),byK.H.Li,2006,Intel表3.1IEEE802.16所屬各項標準標準802.16802.16a/802.16d802.16e802.16a：2003年1月通過時間2001年12月802.16d：2004年6月2005年12月工作頻段10~66GHz小於11GHz小於11GHz傳輸路徑視距直線非視距直線非視距直線傳輸速率32-134Mbps20MHz的頻寬下，最高可達75Mbps5MHz的頻寬下，最高可達15Mbps頻寬20,25,28MHz1.25~20MHz1.25~20MHz調變方式及多方存取模式QPSK,16QAM,64QAMOFDM256FFT,OFDMA2048FFT,QPSK,16QAM,64QAMScalableOFDMA128to2048FFT,QPSK,16QAM,64QAM覆蓋距離2~5公里7~10公里，最遠50公里2~5公里應用方式固定式固定式或遊牧式可攜式或行動式資料來源：本研究整理30WiMAX論壇成立於2001年6月，主要是由一些無線通訊相關的晶片與設備製造商所成立。目前的成員共有350多間公司，其中委員會成員(boardmembers)都是國際級的及晶片、設備大廠或是電信營運商，包含Intel、Samsung、Fujitsu、Motorola、WiLAN、Airspan、Alvarion、Aperto、中國中興通訊、AT&T、BritishTelecom、SprintNextel、韓國KT。WiMAX論壇的主要理念則是：9支援IEEE802.16標準9提出支援802/16標準的接取規範並加以推動9對網路與蜂巢單位(cell)層級的相互操作性(interoperability)做認證9達成全球採用WiMAX規範9提倡無線寬頻的使用隨著WiMAX論壇由後來加入的Intel主導，並採用IEEE802.16-2004標準，IEEE的802.16系列標準也通常被稱為WiMAX技術標準。而在後來，隨著802.162-2005標準的通過，802.16-2004通常被稱為FixedWiMAX，802.16e-2005則被稱為MobileWiMAX。WiMAX論壇主要有七個工作小組分別負責不同的工作任務，包含應用工作小組(ApplicationWorkingGroup)、認證工作小組(CertificationWorkingGroup)、行銷工作小組(MarketingWorkingGroup)、網路工作小組(NetworkWorkingGroup)、規範工作小組(RegulatoryWorkingGroup)、服務提供者工作小組(ServiceProviderWorkingGroup)以及技術工作小組(TechnicalWorkingGroup)。七個小組其中的技術工作小組，則是擷取IEEE的802.16標準中必備與選用特點，並將之定義成WiMAX論壇所認證的必需部份，以確保不同廠商所製造的設備能有完好的互相操作性。不過在頻率元件的部份，WiMAX論壇則刻意保持彈性以配合不同區域國家的部署需求與政府規範()。313.1.2FixedWiMAX－802.16-2004IEEE在2004年6月通過802.16-2004標準，也稱為FixedWiMAX。802.16-2004主要規範的是通訊標準中的物理層(PHY,Physicallayer)與媒體存取控制層(MAC,MediaAccessControl)。FixedWiMAX的核心技術主要有採用256個子載波的OFDM調變技術、OFDMA多方存取方式、混合自動重傳申請(HARQ,HybridAutomaticRepeatRequest)、適應式調變編碼(AMC,AdaptiveModulationandCoding)、傳輸品質(QoS,QualityofService)等。FixedWiMAX的編碼方式可採取QPSK、16QAM、64QAM等，並且可以隨著終端設備離基地台的距離不同或接收端裝置所處狀況的不同，而採取不同的適合編碼方式，也就是適應性調變編碼(AMC,AdaptiveModulationCoding)如下圖所示。圖3.2適應性調變編碼(一)資料來源：WiMAX技術及現況簡介(29頁)，林俊彥，2006，中山科學研究院。32圖3.3適應性調變編碼(二)資料來源：FixedandMobileWiMAXOverview(p.16),byR.Golshan,2006,FujiTsuMicroelectronicsAmerica在不用授權的頻段，雙向傳輸的方式僅能採用分時雙向(TDD,TimeDivisionDuplex)。而在需要授權的頻段則可以使用分時雙向、分頻雙向(FDD,FrequencyDivisionDuplex)、半雙頻雙向(H-FDD,HalfFrequencyDivisionDuplex)等三種雙向模式。在容許不同使用者共存的多方存取方面，FixedWiMAX採用的是2048個子載波的OFDMA方式，如下圖。圖3.4多方存取方式中的TDMA與OFDMA比較資料來源：WiMAX技術及現況簡介(19頁)，林俊彥，2006，中山科學研究院。33在FixedWiMAX標準中，QoS定義在MAC層中，針對每個連接可以分別設置不同的QoS參數，包括速率、延時等指標。FixedWiMAX系統依據QoS標準所定義的4種類型應用分為以下四種：UGS(UnsolicitedGrantService)、rtPS(Real-TimePollingService)、nrtPS(Non-Real-TimePollingService)、BE(Best-EffortService)，並藉由MAC層的規範給定不同的參數來實現。相對的典型應用為UGS－VoIP，rtPS－串流影音，nrtPS－檔案傳輸協定(FTP,FileTransferProtocol)，BE－資料傳輸、網路瀏覽。多輸入多輸出(MIMO,MultipleInputMultipleOutput)是WiMAX標準中，另一個重要的成分技術。MIMO採用的是透過一個單一射頻通道來收發二或多個資料信號流，如此一來無線通訊系統就能在一個通道中達到兩倍或兩倍以上的資料傳輸。在系統中，用一個以上高整合的射頻升頻器（up-converter）和天線來傳送這些多重訊號，同時也有一個以上高整合的射頻降頻器（down-converter）和天線來接收這些多重訊號。採用MIMO技術，每條通道的最大資料傳輸速率將隨著通道中傳送的不同資料流數目而呈線性成長。由於具有同時傳送多重資料流的能力，MIMO可以在不用到額外頻寬的條件下讓無線資料的傳輸能力倍增。MIMO系統的峰值傳輸速率（peakthroughput）隨微波通道中傳送的訊號流數目而增加，也因為在不同的天線和通道中傳送多重的訊號，MIMO訊號有時也被稱為「多次元訊號」（multi-dimensionalsignal）。一般的射頻訊號被稱為一次元訊號，因為它們即使採用多個天線，在一個射頻通道中只能傳送一個資料流。除了讓相同通道中的資料速率倍增外，妥善設計的MIMO系統還可以藉由高頻譜效率和更高的遠程傳輸速率（throughput-at-range）來增加涵蓋範圍和穩定性。MIMO系統對有效傳輸速率（effectivethrough）的提升比對峰值傳輸速率（peakthroughput）的提升效果還要大，獨立的測試顯示一個設計良好的MIMO系統可以將有效涵蓋範圍提升八倍，同時也能將有效傳輸速率提升六倍。對於未來移動通信系統而言，如何能夠在非視距和惡34劣通道下保證高的QoS是一個關鍵問題，也是移動通信領域的研究重點。對於SISO(SingleInputSingleOutput)系統，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和複雜的編碼調製技術，而頻譜資源的有限和移動終端的特性都制約著SISO系統的發展，所以MIMO是未來移動通信的關鍵技術。MIMO技術主要有兩種表現形式，即空間複用(SM,SpatialMultiplexing)和空時編碼(STC,Space-TimeCoding)。這兩種形式在WiMAX協議中都得到了應用。協定還給出了同時使用空間複用和空時編碼的形式。目前MIMO技術正在被開發應用到各種高速無線通信系統中，但是目前很少有成熟的產品出現，估計在MIMO技術的研發和實現上，還需要一段時間才能夠取得突破。3.1.3MobileWiMAX－802.16-2005802.16e-2005標準是基於802.16-2004標準，為了加強對行動性支援改進而來，又稱為MobileWiMAX。MobileWiMAX標準的重點有三個：耗電量及功率的調整規範、確保使用者的通訊安全性、縮短與其他無線網路系統的交遞時間(Handoff)。MobileWiMAX與FixedWiMAX最大的差異是採用SOFDMA(ScalableOFDMA)技術來實現移動性及行動性。MobileWiMAX的第一版規範(Release1profile)中規定的是系統頻寬為5MHz或10MHz，各配合512及1024個子載波。MobileWiMAX規定了一種必須採用的交遞模式，簡稱為HHO(HardHandover)，實際上就是我們通常所說的硬交遞模式。除此以外，還提供了另外兩種選用的交遞模式︰巨分集組交遞模式(MDHO,Macro-diversityHandoff)和快速基地台切換模式(FBSS,FastBaseStationSwitching)。此外針對手持式裝置，為了減少功率消耗，MobileWiMAX也設計了特殊的休眠模式，該模式中包括了清醒狀態及休眠狀態，以內部狀態的自動切換方式減低耗電量。在QoS方面，MobileWiMAX比FixedWiMAX多出了一個ErtPS(ExtendedReal-TimePolli