無線區(qū)域／都域／廣域網(wǎng)路(WiFi、WiMAX、3G)總探討(2)
Mobile WiMAX可以更逼近3G嗎？
前言：在正式開始前先請問各位一個問題：倘若明天您要從臺北出差到高雄，您會怎么去？
徒步走路？騎腳踏車？騎摩托車？這樣的答案想必相當愚蠢，沒錯，少說也是開私家車、或搭國光號之類的客運、或搭莒光號以上等級的火車、或是搭飛機等，往后高速鐵路（簡稱：高鐵）開通后又多了一個便捷選項?？傊?，您有三、四種以上的方式可以到高雄，端看哪一種適合您
既然有三、四種到法，那么這些大眾運輸交通工具在營運上其實是相互擠壓的，倘若火車票漲價，那么在可允許的搭乘時間內(nèi)會有許多需求乘客改去搭客運，另外有些更趕急的人非得選擇搭飛機不可，并忍受較貴的票價，然而往后若高鐵開通，且票價低于飛機票，這是趕急的客戶也可能轉(zhuǎn)使用高鐵，同時航空公司就會有客源流失與降價的壓力。
再舉一例，今天一個人要看一部電影，他可以有多種選擇：(1)看院線片、(2)看二輪片、(3)看有線電視、(4)買DVD-Video、(5)租DVD-Video、(6)使用MOD（Movie On Demand；隨選電影）的收視服務，類似在飯店時使用付費節(jié)目一樣。(7) P2P交換平臺（雖有版權(quán)疑慮，但此用法確實存在且確實有許多人用）。
當然，不同的方式有不同的優(yōu)缺點，院線片的視聽體驗最享受，但無法再看或臨時暫停，相對的DVD-Video就可以，而P2P則可能無合適語系字幕或有計算機病毒風險等，不過相互間也是與前述的交通運輸是相互擠壓的，只要MOD持續(xù)普及，百視達（Blockbuster）的錄像帶出租店就會感受到壓力，進而降價或提供其它可能的加值來面對競爭。
■通信、通路、運輸營運皆有互擠效應
之所以講述這兩個例子，其實正是要講本文的WiMAX（IEEE 802.16d-2004）、Mobile WiMAX（IEEE 802.16e-2005），WiMAX、Mobile WiMAX正如同前面的交通運輸業(yè)、內(nèi)容通路業(yè)，必須與自身相似、相近的產(chǎn)物進行消長競爭，固定式WiMAX的最主要競爭者是WiFi，甚至會是UWB，而行動式的競爭者則是3G。
當然！若是在已接近布線經(jīng)濟效益的地方，固接式WiMAX就必須與固接式ADSL競爭，或者是已經(jīng)廣遍布建WiFi的地方也無WiMAX立足之地，或是已往FTTH（光纖到府）、FTTB（光纖到建筑物）等更高層次追求的市場（如日本）也都難有施展機會。
▲WiMAX并非使用全球一致的ISM頻段，而是各地有各地可用與適用的頻段，在國內(nèi)也必須請水利署與相關(guān)單位在兩年內(nèi)將已使用的頻段資源歸還，才能夠重新用于WiMAX布建與服務營運上。（圖片來源：Intel.com）
特別是Mobile WiMAX，雖然IEEE 802.20（Mobile-Fi）的制訂已經(jīng)休止（2006年6月23日），對Mobile WiMAX而言不再有被3G、IEEE 802.20連手夾擊的威脅，但3G中無論WCDMA還是CDMA2000都有明確的數(shù)據(jù)傳輸率提升方案（指Roadmap），相對的Mobile WiMAX卻沒有相同的明確性。
再加上最力主推行WiMAX的Intel剛將通訊事業(yè)部門以6億美元賣給Marvell（2006年6月30日），雖然Intel Capital仍然大舉投資Clearwire Secures公司空前的6億美元（2006年7月5日），但依然很難讓人解除擔憂，特別是WiMAX的芯片供貨商始終在少數(shù)，如Fujitsu、Freescale、Intel、Wavesat（加拿大商）等，特別是Fujitsu買下加拿大的Wi-LAN公司后（2006年6月8日），就連WiMAX的硅智財（SiP）來源都難再取得。
不論如何，我們都有必要更進一步了解Mobile WiMAX的技術(shù)表現(xiàn)，以下我們將對此進行更多討論。
▲圖為美國富士通微電子（Fujitsu Microelectronics America, Inc.）針對WiMAX所開發(fā)的基頻芯片（Baseband Chip）之功能方塊圖。（圖片來源：www.Fujitsu.com）
■現(xiàn)有Mobile WiMAX的基礎(chǔ)技術(shù)表現(xiàn)
首先大家最關(guān)心的，莫過于Mobile WiMAX能在多少時速的移動下仍可正常通訊，過去有人說100km/hr，也有人說150km/hr，但真正的答案是與GSM相同：120km/hr（包含啟用頻寬流量管理的QoS機制），比WiBro的60km/hr、PHS的100km/hr都高，但低于IEEE 802.20的250km/hr，至于3G的WCDMA也可以破200km/hr，實際測試驗證中則是431km/hr內(nèi)都可穩(wěn)定通訊，這表示不只可在高鐵內(nèi)使用，就連上海的磁浮列車內(nèi)都可行，同樣的CDMA2000也有相近的表現(xiàn)。
其次，與過去意料相同的，Mobile WiMAX每個波段頻道耗占1.25MHz∼20MHz的頻寬（固接版WiMAX為1.75MHz∼20MHz），雖然在這個范疇之內(nèi)都可行，但常用的仍然有六種占切法：1.25MHz、5MHz、7MHz、8.75MHz、10MHz，以及20MHz，這與固接型WiMAX不同，固接型的WiMAX在占切方式上多采倍數(shù)性增加，以5MHz或5.25MHz為單位進行遞增。
除每通道的頻寬外，在雙工方面的設(shè)計，目前的Mobile WiMAX一律只能用分時雙工（Time Division Duplex；TDD），而還不能使用分頻雙工（Frequency Division Duplex；FDD）但固接型WiMAX兩者都已經(jīng)能夠支持，關(guān)于此WiMAX Forum的官方說詞FDD將留待給未來的新型態(tài)（Profile）來定義運用，好因應未來可能的特定市場機會，或者是用于地區(qū)性差異的調(diào)整之用。
至于適用的頻率位置，Mobile WiMAX主要為2.3GHz、3.3GHz、以及3.4GHz∼3.8GHz。且就一般來說，Mobile WiMAX每個收發(fā)扇區(qū)、每個通道若使用10MHz的頻段資源，可以達到下行（DL）63Mbps、上行（UL）28Mbps的速率。
■與3G/WCDMA/HSDPA相仿的H-ARQ機制
更進一步的，Mobile WiMAX還采用了許多先進的技術(shù)與機制，H-ARQ（Hybrid-Automatic Repeat Request）即是其中之一，這項功效機能在WCDMA中的HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）也可見。為何Mobile WiMAX需要H-ARQ H-ARQ可以為WiMAX在行動傳輸上帶來何種益處？以下我們對此更詳細的情境解說。
首先，WiMAX基地臺將數(shù)據(jù)發(fā)送給Mobile WiMAX的客戶端（假設(shè)是一臺具備Mobile WiMAX收發(fā)功能的筆記型計算機），連續(xù)發(fā)了好幾筆，同時在傳送數(shù)據(jù)的同時也連帶傳遞前向錯誤更正（Forward Error Correction；FEC）的更錯碼，所以客戶端接受到多筆數(shù)據(jù)后，可以透過更錯碼的推算來了解每筆數(shù)據(jù)是否完整接收。
一旦發(fā)現(xiàn)其中有一筆資料沒有接收完全，這時就會由Mobile WiMAX客戶端向WiMAX基地臺發(fā)送訊息，此訊息的用意是要求WiMAX基地臺重新再發(fā)送一次剛剛發(fā)過的數(shù)據(jù)，但只要發(fā)送未收妥的那一筆，那一筆數(shù)據(jù)的編號是xxxx，WiMAX基地臺接收到這個「要求重新傳送」的需求訊息后，就會依據(jù)客戶端傳來的編號，并只針對該編號的數(shù)據(jù)再傳送一遍。
不過，由于客戶端傳來的訊息也是用無線方式傳遞，也有可能在傳送的過程中出錯，所以也一樣要加入查核數(shù)據(jù)正確性的更錯碼，WiMAX基地臺接收到需求訊息后，也要透過更錯碼的推算，證明完整接收到「需要重新發(fā)送編號xxxx的那筆數(shù)據(jù)」后，才會真的執(zhí)行重發(fā)工作，否則視同需求反應無效。
▲3G、Wi-Fi、WiMAX三者在六種無線通訊取向上的特性差異圖。（圖片來源：Freescale.com）
如此一來一往，在加上更錯碼推算，使得數(shù)據(jù)不完整接收時的再發(fā)送程序變得復雜、無效率，但這也是最正規(guī)的「要求重發(fā)，Repeat Request」作法。而H-ARQ的提出，正是要改變這種無效率往返的重傳重發(fā)程序。
H-ARQ的作法是，客戶端每接收到一定的多筆數(shù)據(jù)后，此批的多筆數(shù)據(jù)中若數(shù)據(jù)都接收正確無誤，就會回傳給基地臺一個「一切無誤」的訊息，相對的在多筆中只要有一筆沒有完整妥善接收，就會回傳給基地臺一個「有錯，請整個多筆數(shù)據(jù)重新傳送」。這個「無誤」與「有錯請整批多筆重傳」的響應訊息其實只是0或1的訊號差異，傳輸量非常少，且不帶編號，所以幾乎不可能錯傳，因此基地臺端接收到后就不再進行錯誤與否的偵測推算。
當然！各位可能會說，為了等待這個客戶端的接收后響應，基地臺不就要閑置等待、浪費頻寬？關(guān)于此其實也有配套的解決方案，即是運用成對（2組、4組、或6組）的傳輸通道來解決，在此以2組為最容易的假設(shè)，今日有A信道與B信道，A信道不斷傳送，B信道不斷接收，A信道除了傳送數(shù)據(jù)外，其它間隔時間也用來傳送B信道的響應訊息，相對的B信道除了接收數(shù)據(jù)外，其它時間也用來接收A信道的響應訊息。
如此，不僅收發(fā)兩個通道都獲得更澈底的頻寬運用，且正確與否的響應不需要再含在指定編號與更錯查核碼，只要單純地傳遞正確與否的狀態(tài)位值即可，這樣整體傳輸量即可獲得強化提升。
■頻率選擇式排程（Frequency Selective Scheduling）
「頻率選擇式排程」機制主要是用來提供聯(lián)機質(zhì)量與整體傳輸效益，當WiMAX基地臺同時服務多個行動客戶端時，可以針對不同的用戶使用不同的頻率傳輸，也可以針對不同用戶使用不同的信號強度，也可以進行子載波（sub-carrier）的排列調(diào)整，使信號收發(fā)的相互干擾性降至最低，讓每個用戶都獲得最佳的收發(fā)質(zhì)量，整體傳輸率也可以提升。
▲Mobile WiMAX的頻率再用（Fractional Frequency Reuse；FFR）示意圖，圖中可見三個Mobile WiMAX基地臺在通信覆蓋上的重迭。（圖片來源：www.WiMAXForum.org）
值得一提的是，「頻率選擇式排程」機制是WiMAX、Mobile WiMAX所特有的技術(shù)，而CDMA2000的1xEV-DO與WCDMA的HSDPA都無法做到，因為現(xiàn)有的3G通訊技術(shù)只能使用完整的頻寬，無法再對頻寬進行更多小區(qū)段（子載波）的再切分、再配置，如此也就更無法動態(tài)取用、換用每個小區(qū)段。
而且，每個Mobile WiMAX的客戶端并非只能使用一個子載波，而是可以同時使用多個子載波（稱為子載波的子集合，subset），且沒有規(guī)定所用的子載波必須連續(xù)配置，反而是可以任選頻率位置，如此可增強頻率頻寬的使用效率，同時能更能進行抗收發(fā)干擾的動態(tài)運用配置。
▲2005年12月才通過的Mobile WiMAX（IEEE 802.16e）隔一個月左右的2006年1月9日，意法半導體（STMicroelectronics，簡稱：ST）立即推出了對應支持的單芯片（SoC）方案：STW51000，這是一顆用于開發(fā)應用于Mobile WiMAX基地臺的單芯片。（資料來源：www.ST.com）
■省能管理（Power Conservation Management）
此點對于Mobile WiMAX的客戶端格外重要，由于Mobile WiMAX的客戶端多半是使用自帶電池的筆記型計算機，或是使用汽車電瓶的車用計算機，這些客戶端的電能都相當有限，所以Mobile WiMAX的電源管理就格外重要，為此Mobile WiMAX在運作模式之外也提供了閑置模式（Idle mode）與睡眠模式（Sleep mode），期望透過更完善的電源管理以盡可能延長客戶端的使用時間、待機時間。
■Network-Optimized Hard Handoff（HHO）網(wǎng)型硬性換手
當Mobile WiMAX客戶端從一個WiMAX基地臺移動到另一個基地臺時，就必須進行Handoff的切換、接手（也稱：換手、交遞等，英文有時也稱：link transfer，或英國方面慣稱為handover）機制，而這個切換接手會造成短暫的服務暫停，這點在GSM、PHS、3G等行動通信上也會出現(xiàn)，只是不同的行動通信，其交握換手的暫停時間不同，另外換手也有各種不同的型態(tài)。
就一般而言，換手型態(tài)有行動控制式換手（如DECT、PACS）、行動輔助式換手（如GSM、IS-95）、以及網(wǎng)絡(luò)控制式換手（如CT-2 plus、AMPS）。而性質(zhì)上也分成軟性（Soft）、更軟性（Softer）、以及硬性（Hard）。關(guān)于此Mobile WiMAX用的是網(wǎng)絡(luò)控制式的硬性換手，且換手時間可以少于50mS。
相對的，WCDMA允許軟性、更軟性、硬性等三種換手中任意選擇，而PACS的換手時間低于20mS，因此從某種角度看，Mobile WiMAX依然較偏向數(shù)據(jù)應用，而稍遠于語音應用。
附注：過去也有不支持換手的無線通訊，如CT-2（俗稱：二哥大）。
■Multicast and Broadcast Service（MBS）多播、廣播機制
行動寬帶若不能搭配行動視訊，那在推行上自是一大弱勢，為此3G已經(jīng)先行支持各種行動電視，如歐洲的DVB-H、3GPP E-UTRA，或如美國高通（Qualcomm）的獨門絕活：MediaFLO等，而Mobile WiMAX也積極趕上這般列車，對行動電視通訊所需要多多播及廣播特別專精支持。
特別支持不是口頭說說，例如使用單頻網(wǎng)絡(luò)就可以達到高數(shù)據(jù)傳輸率與高覆蓋率（對行動電視的營運商更有利）、彈性的無線資源配置、接收端更低的用電功耗等，甚至對電視節(jié)目的頻道切換也進行強化，使頻道切換的時間能夠縮短。
■Smart Antenna（智能型天線）
未能免俗的，新一代的無線通訊，無論3G、Wi-Fi、WiMAX等，都要強調(diào)將可支持使用智能型天線（有時也簡稱：Adaptive Antenna System；AAS，具調(diào)適因應性的天線系統(tǒng)）。特別是WiMAX，因為WiMAX具有將波段再行細碎化切割運用的特性，對此若能搭配智能型天線來運用則會有更佳的效果。有了智能型天線后，Mobile WiMAX將可以用上更多更先進的收發(fā)功效機制，如beamforming、space-time coding、以及spatial multiplexing等。
■Fractional Frequency Reuse（頻率再用）
當WiMAX基地臺相互間因覆蓋率重迭所造成的鄰近干擾（稱為：Inter Cell Interference；ICI）時，有多種可用來減緩干擾的技術(shù)，例如干擾隨機化、干擾協(xié)調(diào)化、干擾消除化等，而Mobile WiMAX所實行的是Fractional Frequency Reuse（簡稱：FFR）技術(shù)屬于協(xié)調(diào)化的類型。
相對的，已經(jīng)停止的IEEE 802.20實行的是隨機化抗干擾技術(shù)，但后續(xù)的增訂技術(shù)：QFDD/QTDD就也屬于協(xié)調(diào)化的技術(shù)，此外3G后續(xù)的長期發(fā)展版（Long Term Evolution；LTE）也將會加入?yún)f(xié)調(diào)化的技術(shù)。
| ▲Mobile WiMAX使用OFDMA下的子載波（Sub-Carrier）結(jié)構(gòu)圖。（圖片來源：www.WiMAXForum.org）
■5mS（五毫秒）的訊框時間
老實說，每單位訊框（Frame）的占時若過長，則會造成傳輸延遲（Latency）的增加，相對的若每單位訊框的占時若過短，封包更細碎，雖然有助于減少延遲、增加傳輸?shù)姆磻?，但過短的訊框也表示相互關(guān)連性的描述資料比重要增加，反而會降低實質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸率。所以此兩者經(jīng)常相互權(quán)衡取舍的。
關(guān)于此，Mobile WiMAX將訊框尺寸（Frame Size，在此占時將時間以占體空間方式來比喻、看待）定為5mS（毫秒），WiMAX Forum方面認為5mS是兼顧了描述傳輸占量與傳輸延遲反應的決議。當然！有的無線通訊傳輸允許可變長度的訊框，但Mobile WiMAX則是實行固定作法。
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