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無線區域／都域／廣域網路(WiFi、WiMAX、3G)總探討(2)
前言：在正式开始前先请问各位一个问题：倘若明天您要从台北出差到高雄，您会怎么去？
既然有三、四种到法，那么这些大众运输交通工具在营运上其实是相互挤压的，倘若火车票涨价，那么在可允许的搭乘时间内会有许多需求乘客改去搭客运，另外有些更赶急的人非得选择搭飞机不可，并忍受较贵的票价，然而往后若高铁开通，且票价低于飞机票，这是赶急的客户也可能转使用高铁，同时航空公司就会有客源流失与降价的压力。
▲WiMAX并非使用全球一致的ISM频段，而是各地有各地可用与适用的频段，在国内也必须请水利署与相关单位在两年内将已使用的频段资源归还，才能够重新用于WiMAX布建与服务营运上。（图片来源：Intel.com）
 ▲图为美国富士通微电子（Fujitsu Microelectronics America, Inc.）针对WiMAX所开发的基频芯片（Baseband Chip）之功能方块图。（图片来源：www.Fujitsu.com） ■现有Mobile WiMAX的基础技术表现 首先大家最关心的，莫过于Mobile WiMAX能在多少时速的移动下仍可正常通讯，过去有人说100km/hr，也有人说150km/hr，但真正的答案是与GSM相同：120km/hr（包含启用频宽流量管理的QoS机制），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，实际测试验证中则是431km/hr内都可稳定通讯，这表示不只可在高铁内使用，就连上海的磁浮列车内都可行，同样的CDMA2000也有相近的表现。 其次，与过去意料相同的，Mobile WiMAX每个波段频道耗占1.25MHz∼20MHz的频宽（固接版WiMAX为1.75MHz∼20MHz），虽然在这个范畴之内都可行，但常用的仍然有六种占切法：1.25MHz、5MHz、7MHz、8.75MHz、10MHz，以及20MHz，这与固接型WiMAX不同，固接型的WiMAX在占切方式上多采倍数性增加，以5MHz或5.25MHz为单位进行递增。 除每通道的频宽外，在双工方面的设计，目前的Mobile WiMAX一律只能用分时双工（Time Division Duplex；TDD），而还不能使用分频双工（Frequency Division Duplex；FDD）但固接型WiMAX两者都已经能够支持，关于此WiMAX Forum的官方说词FDD将留待给未来的新型态（Profile）来定义运用，好因应未来可能的特定市场机会，或者是用于地区性差异的调整之用。 至于适用的频率位置，Mobile WiMAX主要为2.3GHz、3.3GHz、以及3.4GHz∼3.8GHz。且就一般来说，Mobile WiMAX每个收发扇区、每个通道若使用10MHz的频段资源，可以达到下行（DL）63Mbps、上行（UL）28Mbps的速率。 ■与3G/WCDMA/HSDPA相仿的H-ARQ机制 更进一步的，Mobile WiMAX还采用了许多先进的技术与机制，H-ARQ（Hybrid-Automatic Repeat Request）即是其中之一，这项功效机能在WCDMA中的HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）也可见。为何Mobile WiMAX需要H-ARQ H-ARQ可以为WiMAX在行动传输上带来何种益处？以下我们对此更详细的情境解说。 首先，WiMAX基地台将数据发送给Mobile WiMAX的客户端（假设是一台具备Mobile WiMAX收发功能的笔记型计算机），连续发了好几笔，同时在传送数据的同时也连带传递前向错误更正（Forward Error Correction；FEC）的更错码，所以客户端接受到多笔数据后，可以透过更错码的推算来了解每笔数据是否完整接收。 一旦发现其中有一笔资料没有接收完全，这时就会由Mobile WiMAX客户端向WiMAX基地台发送讯息，此讯息的用意是要求WiMAX基地台重新再发送一次刚刚发过的数据，但只要发送未收妥的那一笔，那一笔数据的编号是xxxx，WiMAX基地台接收到这个「要求重新传送」的需求讯息后，就会依据客户端传来的编号，并只针对该编号的数据再传送一遍。 不过，由于客户端传来的讯息也是用无线方式传递，也有可能在传送的过程中出错，所以也一样要加入查核数据正确性的更错码，WiMAX基地台接收到需求讯息后，也要透过更错码的推算，证明完整接收到「需要重新发送编号xxxx的那笔数据」后，才会真的执行重发工作，否则视同需求反应无效。  ▲ 如此一来一往，在加上更错码推算，使得数据不完整接收时的再发送程序变得复杂、无效率，但这也是最正规的「要求重发，Repeat Request」作法。而H-ARQ的提出，正是要改变这种无效率往返的重传重发程序。 H-ARQ的作法是，客户端每接收到一定的多笔数据后，此批的多笔数据中若数据都接收正确无误，就会回传给基地台一个「一切无误」的讯息，相对的在多笔中只要有一笔没有完整妥善接收，就会回传给基地台一个「有错，请整个多笔数据重新传送」。这个「无误」与「有错请整批多笔重传」的响应讯息其实只是0或1的讯号差异，传输量非常少，且不带编号，所以几乎不可能错传，因此基地台端接收到后就不再进行错误与否的侦测推算。 当然！各位可能会说，为了等待这个客户端的接收后响应，基地台不就要闲置等待、浪费频宽？关于此其实也有配套的解决方案，即是运用成对（2组、4组、或6组）的传输通道来解决，在此以2组为最容易的假设，今日有A信道与B信道，A信道不断传送，B信道不断接收，A信道除了传送数据外，其它间隔时间也用来传送B信道的响应讯息，相对的B信道除了接收数据外，其它时间也用来接收A信道的响应讯息。 如此，不仅收发两个通道都获得更澈底的频宽运用，且正确与否的响应不需要再含在指定编号与更错查核码，只要单纯地传递正确与否的状态位值即可，这样整体传输量即可获得强化提升。 ■频率选择式排程（Frequency Selective Scheduling） 「频率选择式排程」机制主要是用来提供联机质量与整体传输效益，当WiMAX基地台同时服务多个行动客户端时，可以针对不同的用户使用不同的频率传输，也可以针对不同用户使用不同的信号强度，也可以进行子载波（sub-carrier）的排列调整，使信号收发的相互干扰性降至最低，让每个用户都获得最佳的收发质量，整体传输率也可以提升。  ▲Mobile WiMAX的频率再用（Fractional Frequency Reuse；FFR）示意图，图中可见三个Mobile WiMAX基地台在通信覆盖上的重迭。（图片来源：www.WiMAXForum.org） 值得一提的是，「频率选择式排程」机制是WiMAX、Mobile WiMAX所特有的技术，而CDMA2000的1xEV-DO与WCDMA的HSDPA都无法做到，因为现有的 而且，每个Mobile WiMAX的客户端并非只能使用一个子载波，而是可以同时使用多个子载波（称为子载波的子集合，subset），且没有规定所用的子载波必须连续配置，反而是可以任选频率位置，如此可增强频率频宽的使用效率，同时能更能进行抗收发干扰的动态运用配置。  ▲2005年12月才通过的Mobile WiMAX（IEEE 802.16e）隔一个月左右的 ■省能管理（Power Conservation Management） 此点对于Mobile WiMAX的客户端格外重要，由于Mobile WiMAX的客户端多半是使用自带电池的笔记型计算机，或是使用汽车电瓶的车用计算机，这些客户端的电能都相当有限，所以Mobile WiMAX的电源管理就格外重要，为此Mobile WiMAX在运作模式之外也提供了闲置模式（Idle mode）与睡眠模式（Sleep mode），期望透过更完善的电源管理以尽可能延长客户端的使用时间、待机时间。 ■Network-Optimized Hard Handoff（HHO）网型硬性换手 当Mobile WiMAX客户端从一个WiMAX基地台移动到另一个基地台时，就必须进行Handoff的切换、接手（也称：换手、交递等，英文有时也称：link transfer，或英国方面惯称为handover）机制，而这个切换接手会造成短暂的服务暂停，这点在GSM、PHS、3G等行动通信上也会出现，只是不同的行动通信，其交握换手的暂停时间不同，另外换手也有各种不同的型态。 就一般而言，换手型态有行动控制式换手（如DECT、PACS）、行动辅助式换手（如GSM、IS-95）、以及网络控制式换手（如CT-2 plus、AMPS）。而性质上也分成软性（Soft）、更软性（Softer）、以及硬性（Hard）。关于此Mobile WiMAX用的是网络控制式的硬性换手，且换手时间可以少于50mS。 相对的，WCDMA允许软性、更软性、硬性等三种换手中任意选择，而PACS的换手时间低于20mS，因此从某种角度看，Mobile WiMAX依然较偏向数据应用，而稍远于语音应用。 附注：过去也有不支持换手的无线通讯，如CT-2（俗称：二哥大）。 ■Multicast and Broadcast Service（MBS）多播、广播机制 行动宽带若不能搭配行动视讯，那在推行上自是一大弱势，为此3G已经先行支持各种行动电视，如欧洲的DVB-H、3GPP E-UTRA，或如美国高通（Qualcomm）的独门绝活：MediaFLO等，而Mobile WiMAX也积极赶上这般列车，对行动电视通讯所需要多多播及广播特别专精支持。 特别支持不是口头说说，例如使用单频网络就可以达到高数据传输率与高覆盖率（对行动电视的营运商更有利）、弹性的无线资源配置、接收端更低的用电功耗等，甚至对电视节目的频道切换也进行强化，使频道切换的时间能够缩短。 ■Smart Antenna（智能型天线） 未能免俗的，新一代的无线通讯，无论3G、Wi-Fi、WiMAX等，都要强调将可支持使用智能型天线（有时也简称：Adaptive Antenna System；AAS，具调适因应性的天线系统）。特别是WiMAX，因为WiMAX具有将波段再行细碎化切割运用的特性，对此若能搭配智能型天线来运用则会有更佳的效果。有了智能型天线后，Mobile WiMAX将可以用上更多更先进的收发功效机制，如beamforming、space-time coding、以及spatial multiplexing等。 ■Fractional Frequency Reuse（频率再用） 当WiMAX基地台相互间因覆盖率重迭所造成的邻近干扰（称为：Inter Cell Interference；ICI）时，有多种可用来减缓干扰的技术，例如干扰随机化、干扰协调化、干扰消除化等，而Mobile WiMAX所实行的是Fractional Frequency Reuse（简称：FFR）技术属于协调化的类型。 相对的，已经停止的IEEE 802.20实行的是随机化抗干扰技术，但后续的增订技术：QFDD/QTDD就也属于协调化的技术，此外3G后续的长期发展版（Long Term Evolution；LTE）也将会加入协调化的技术。 
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