WiMAX 簡介

Outline Overview IEEE 802.16 Physical Layer

簡介 WiMAX 全名Worldwide Interoperability for Microwave Access，中文譯名為「微波存取全球互通」。 具有遠距離、傳輸量大，使用IEEE 802.16的協定，其傳輸速度最高可達70Mbps，傳輸範圍最廣可達30英哩，對個人、家庭與企業的行動化將有很大助益為新一代的無線網路標準。 無

名詞解釋 BS（Base Station，基地臺），指訊號發射端。 SS（Subscriber Station，接收端），有室內、戶外型，必須轉接才能連到一般設備。 CPE（Customer Premise Equipment，客戶端接收器），內建在設備上，不用像SS還要轉接裝置。 RS（Rely Station，中繼器），在802.16j（Mobile Multi-hop Relay）制定，能延伸BS訊號，能智慧型轉發訊號。 PTP（Point to Point，點對點模式），1臺BS對應1臺SS。 PMP（Point to Multiple，點對多點模式），1臺BS可對應多臺SS。 License Band及Un-License Band（License-Exempt），前者為特許營運頻帶，必須有營運執照才能使用，例如2.5GHz及3.5GHz，後者為非特許營運頻帶，不需執照，一般皆可使用，例如5.8GHz。 LOS（Line-of-sight）及NLOS（Non-Line-of-sight），前者是指設備間沒有任何障礙物，視為直視距離，後者則是兩端間有障礙物，視為非直視距離。

WiMAX特色 包含非直視性(Non-Line-of-Sight，NLOS)及直視性（Line-of-Sight，LOS）技術、傳輸距離長、網路涵蓋範圍廣。 高頻譜效率、高傳輸速率。 具彈性的系統容量。 支援語音、影像等服務之服務品質（QoS）需求。 支援多種工作頻段，可配合不同國家之頻譜指配。

LOS模式與NLOS模式 NLOS(Non Line of Sight)模式 速度較慢，穿透力較高，適用於都會環境 使用2-11GHz頻段，最大傳輸距離為10公里 當通道頻寬為20MHz時，最高速度約75Mbps LOS(Line of Sight)模式 速度較高，穿透力差，適用於空曠的環境 使用10-66GHz頻段，最大傳輸距離為5公里 當頻寬為28MHz時，速度最高為134Mbps

應用情境 圖中可以看到固接式的SS基地台架設於大樓頂端，透過固接式的基地台將WiMAX的網路提供給整棟大樓，而右邊的行動是使用者賊世使用802.16E的行動協定來實現移動上網的要求。

固接式WiMAX IEEE 802.16 工作小組，最初是將寬頻點發展為多點 (PMP) 標準，以作為有線網路基礎架構的無線擴充。而第一個獲認可的空中介面，即是建立在分時多工存取 (TMDA) 通訊協定上。 此一介面支援分時雙工 (TDD) 與分頻雙工 (FDD)。

移動式WiMAX 主要以2.5G頻譜為主，具有行動上網的優勢，未來汽車也將全面配備WiMAX連網設備，以便行駛間能接收網路訊息。

協定演進

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Uplink nad Downlink Uplink Downlink From SS to BS From BS to SS 在Wimax的協定中，一個frme包含了兩個部份，分別是Uplink與downlink，其中uplink指的是從SS發送到BS的傳輸方向，也就是上傳的部份；而downlink指的是從BS發送到SS的方向，隨著實體層支援的模式不同，將會有不同的劃分方法，後面將會介紹。

TDD and FDD Frequency Frequency-Division Duplex (FDD) DL & UL on separate RF channels Time Time-Division Duplex (TDD) DL & UL time-share the same RF channel SS does not transmit/receive simultaneously 在IEEE802.16的協定中定義，其實體層支援兩種不同的模式，分別為TDD與FDD，TDD指的是依時間做為資源分配的依據，在此種模式下，uplink與downlink是以時間來做為區隔的，此種模式中SS無法在同一時間接收與上傳，而是要在不同的時段進行；而FDD的模式中，上下傳是以不同頻率作為分隔，所以能再同一時間做接收與傳送的動作，但相對的FDD在實際設備上會有較複雜的要求。

Time Time-Division Duplex (TDD) 圖中顯示了TDD模式的實際情形，我們可以看到一個frame中包含了uplink與downlink兩個部份，而以不同的時間來區份這兩個部份，而FDD則是剛好相反，橫軸上的區分單位則是物同的頻率。

實體層定義 WiMAX系統為了因應各種不同使用場景，訂定了兩個使用頻段：10～66GHz與2～11GHz，及4種不同的實體層介面規範：WirelessMAN-SC、WirelessMAN-SCa、WirelessMAN-OFDM及WirelessMAN-OFDMA，其中WirelessMAN-SC屬於10～66GHz頻段，而其餘三者屬於2～11GHz頻段

使用環境 WirelessMAN-SC及WirelessMAN-SCa適用於直視路線(Line of Sight, LOS)環境，而WirelessMAN-OFDM及WirelessMAN-OFDMA適用於非直視路線(Non-Line of Sight, NLOS)環境

效能提升方法 WirelessMAN-SCa、WirelessMAN-OFDM及WirelessMAN-OFDMA均可採用「適應性天線系統」(Adaptive Antenna System, AAS)技術提升效能；其中Wireless MAN-Sca基本上採用的是「智慧型天線」波束形成技術，而WirelessMAN-OFDM及Wireless MAN-OFDMA則採用MIMO技術 為了提升傳送效能，不同的PHY支援其他額外的MAC技術，其中AAS在SCA與OFDM、OFDMA中被使用，而智慧型天線技術被使用在SCA，此外OFDM與OFDMA更進一步的支援MIMO的多重天線系統，在後面將會有mimo的介紹，而aas與智慧型天線的部分我們就不加以講述。

實體層規格 表中詳列了不同實體層技術支援的mac技術，SC僅支援一般的MAC協定，而OFDM與OFDMA除了基本的協定之外還支援了ARQ(自動重送請求機制)與AAS(智能天線技術)，還有網狀網路的機制等等。而OFDM與OFDMA是目前較被推崇的部份，後面將會更詳細的介紹。

‧WirelessMAN-OFDM 本規範主要訴求在藉由OFDM有效對抗通道多重路徑效應與提高資料傳輸率。OFDM調變共有256個次載波，可支援包括QPSK、16-QAM和64-QAM的適應性調變(adaptive modulation)，根據各個次載波通道狀況決定其調變位階。多重接取採用的是分時的TDMA。為因應多路徑環境之特性，

WirelessMAN-OFDMA 本規範主要訴求在提供移動式應用。調變方式與WirelessMAN-OFDM相同，但多重接取採用的是分頻的FDMA，並支援可變(scalable)頻寬的機制，其功能為根據通道狀況改變系統頻寬與次載波數

WirelessMAN-OFDMA (cont.) OFDMA的運作原則是將所有次載波分割成若干群組，稱為次通道(subchannel)，分配給不同用戶使用，並根據傳輸環境狀況決定各個次通道的次載波數。

WirelessMAN-OFDMA (end) OFDMA是一個多重接取的技術，可根據通道狀況改變系統頻寬與子載波數。運作原則是將所有子載波分割成若干群組，稱為子通道(subchannel) ，分配給不同用戶使用，並根據傳輸環境狀況決定各個子通道的子載波數，另外藉由子載波配置與適應性調變和編碼(AMC) 技術，可讓OFDMA之實體層方便在通道變化較大的移動環境中傳送資料。

MIMO 多輸入多輸出(Multiple Inputs, Multiple Outputs, MIMO)

MIMO功能形式 空間多樣(spatial diversity) 空間多工(spatial multiplexing) 利用發射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑來對抗通道衰落(fading)的影響 空間多工(spatial multiplexing) 在發射端利用多根天線傳送不同資料序列，並在接收端利用多根天線的空間自由度將該組資料序列分別解出 空間多樣的原理為利用發射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑來對抗通道衰落(fading)的影響；所謂多樣意即多重選擇性，它可由多個獨立的傳輸途徑中選擇或組合出衰落現象較輕微的接收訊號，以維持穩定的鏈路品質。 空間多工為MIMO最具吸引力的功能，其原理為在發射端利用多根天線傳送不同資料序列，並在接收端利用多根天線的空間自由度將該組資料序列分別解出。經由此一程序，在發射端與接收端之間彷彿形成一組虛擬的平行空間通道，可在同一時間、同一頻段，以同一功率傳送多個資料序列。如此一來，整體系統的有效資料傳輸率便可以在不增加任何通訊資源的前題下提升數倍；此一效益可說是無線通訊技術發展過程中一大突破，也因此MIMO成為近年來通訊界的熱門話題。

MIMO優點 系統涵蓋範圍 提升鏈路品質 提高系統容量及頻譜效率 與提高資料傳輸率 由於MIMO技術可用以提供陣列增益、干擾抑制、多樣增益，與多工增益，因此具有擴大系統涵蓋範圍、提升鏈路品質、提高系統容量及頻譜效率，與提高資料傳輸率之潛力。此外，由於現代DSP技術的迅速發展和數位處理晶片運算能力的持續提升，使得MIMO所需之複雜運算成本已大幅降低，其實用性也隨之提高。就未來的無線通訊系統需求而言，MIMO所能提供的兩種增益-空間多樣增益與空間多工增益，分別可以提升鏈路品質與資料傳輸率