行動WiMAX系統設計最新動向 V.1.0 2008-10-30 環隆電氣 無線通訊產品事業處 劉尚淳

行動WiMAX系統架構設計與規格剖析 資料來源：資策會

WiMAX Devices Evolving WiMAX Devices Form Factor Outdoor Modem Indoor Modem/IAD Mini Card(MC/HMC) USB Express Card (EC) Others SiP Module On-board Design

目前WiMAX 16e 技術上遇到的問題 從M-Taiwan & US Sprint Deployment Status 知道: WiMAX骨幹 (Backbone)建設還未成熟 WiMAX 網路涵蓋範圍不夠廣 基站 (BS ) 安裝密度不夠 用戶端 (MS）的發射功率不夠大 基站/用戶端 相容性(IOT)問題已逐漸解決, 所以使用在固定式(Fixed )的應用已沒甚問題,但Hand Over, HARQ, QoS, Network Management 還是使移動式(Mobility)沒法發揮16e的功效,這個問題尤其發生在大都會16e的佈建 電源消耗功率 ( IC製程的演進及智慧型電源管理的應用 ) 導入16m and 16j 是否能加強16e 的功能

目前WiMAX 16e 應用環境上遇到的問題 在都會區的最後一哩面臨現有寬頻有線網路ADSL/FTTH/Cable Modem的競爭 現有的 3G+卡產品, 如HSDPA, HSUPA, HSPA+也逐漸增強在資料Data上載/下載(Uplink/Downlink ) 的流量, 基站（Base Station )在這部份上的昇級也逐漸在進行, 其傳輸速度即可接近 WiMAX ( HSxPA現有 技術的延伸是3G 業者想採用的, LTE也是未來的4G標準 ) 受全球金融風暴, 經濟不景氣, Operator/Carrier也會拖延 WiMAX的怖建計劃, 消費者也會對新產品比較保守 WiMAX設備價格影響市場大小 WiMAX 相關應用的產品尚未到位

Mobile Technology Evolving NOW

Future Mobile Technology – 4G LTE UMB WiMAX – 802.16m Long Term Evolution Ultra Mobile Broadband Camp 3GPP 3GPP2 WiMAX Forum Base Standard OFDMA (DL)/Single-Carrier OFDMA(UL) OFDMA S-OFDMA DL Peak 250Mbps 288Mbps 100Mbps UL Peak 75Mpbs 75Mbps BW 1.25~20Mhz 5, 10Mhz 5,10,20Mhz Estimate Commercial Schedule 2010 2009 Technology Provider Ericsson, Nokia Qualcomm Intel/Samsung Main Operators Verizon, AT&T (Nil) KT, Sprint, KDDI Source: WiMAX Forum, 3GPP, 3GPP2,

Today’s Mobile Technology

16m Technology Overview Duplex scheme – Both TDD and FDD Normalized peak data rate DL >= 8.0 ( bps/HZ ) UL >= 2.8 ( bps/Hz ) Max. data latency – 10ms Max. handover interruption time Intra-frequency: 30ms Inter-frequency: 100ms Modulation DL : QPSK/16QAM/64QAM UL : QPSK/16QAM Bandwidth ( BW ) – 5/10/20Mbps Multi-antenna transmission DL MIMO 2 x2 ( Matrix A & Matrix B ) B eamforming ( 2 x 2 ) UL Collaborative SM for two MSs with single antenna Control Signaling DL: Compressed MAP with sub-maps UL: Initial/Periodic/Handover ranging, Bandwidth Request, Fast Feedback/CQI channel, Sounding

應該儘快導入16m & 16j 現行WiMAX網路系統布建方案之比較 Multihop relay (MR) network has the following benefits: Throughput Enhancement Coverage Extension Save MS Power Load Balancing 現行WiMAX網路系統布建方案之比較   優點 缺點 功率放大器 設備價格最便宜 布建快速 干擾訊號一併放大 布建範圍不完整 基地台 功能完備 布建範圍完整 設備價格貴 中繼站 設備價格較便宜 布建快速 布建範圍完整 Auto Configuration 系統複雜度增加

New IEEE WiMAX Standards的加入 項目 內容 狀態 802.16f 定義管理資訊基底 (MIB) 支援 802.16-2004 無線網路管理 2005年12月標準發表 802.16g 定義管理面相關流程與服務 (如系統管理、 資源管理、交遞管理、互通性測試等等) 用於 WiMAX 網路管理之用 2007年3月對D8進行 Sponsor Ballot 802.16h 改善 WiMAX Radio Access 機制供免執照頻寬 (Unlicensed Band) 運轉之用 2007年3月對D2進行 Sponsor Ballot 802.16i 802.16f 管理資訊基底 (MIB) 的修訂與補充 支援 802.16e 無線網路管理 2007年3月對D1進行 Sponsor Ballot 802.16j Multi-hop relay for WiMAX Compatible to 802.16e MS 2007年8月完成D1 預定2008年3月發表 802.16k Bridging extension for 802.1D to WiMAX 2007年3月對D4進行Revcom 802.16m Next generation of WiMAX2 將投入 ITU 競爭 4G 標準 2007年3月完成初版Requirement

Relay Topology (defined in 802.16j) In-building Coverage Coverage on Mobile Vehicle 針對 PMP 網路的潛在問題，新的任務群成立並以設計中繼站之設備。此規格定義的中繼器只能支援移動式 WiMAX。在不改變 MS 的規格之下，RS 的出現與加入要與基地台連線並合作達到三種目的: Throughput Enhancement (效能加強) ： 利用中繼器與 MS 教短的傳輸距離，可以使用傳輸效能較好的調變與編碼。 Coverage Enhancement (覆蓋率加強) ：利用中繼器的覆蓋範圍彌補BS訊號不容易到達的死角。 Range Extension (距離延伸) ：利用中繼器的跳躍特性 (Multi-hop)，可讓遠離基地台的使用者利用多點跳躍連上基地台。 註 ： 延伸的優點為 Power Management Extension (省電) ：利用中繼器與 MS 教短的傳輸距離，可讓使用者快速傳畢資料後進入睡眠模式。 圖內可以見到幾種應用的示意， 當使用者進入室內，利用 Relay 可以延伸基地台的訊號到室內環境，如地下停車場等。 當使用者到達大樓的後側，訊號的反射能力有限，利用 Relay 可以延伸基地台的訊號到被遮蔽的地域。 當使用者到達大樓間的區域，訊號的反射能力有限，利用 Relay 可以延伸基地台的訊號到被此建築物行成山谷的地域。 當用戶進入大眾交通工具，利用 Relay 可以使得用戶不必自行與遠方基地台交換資料，可經由交通工具上的 Relay 進行較大功率的傳輸，一來可減少換手的機率，二來可以讓移動式設備省電。 當用戶進入大眾交通工具進入隧道或地下時，利用 Relay 可以使用戶經由交通工具上的 Relay 進行較大功率的傳輸，提供上網機制。 當用戶到達基地台覆蓋率的邊界時，利用 Relay 可以使用戶仍維持與原基地台的連線，減少換手的頻率。 當用戶到達基地台無法覆蓋率的外界時，利用多數個 Relay 可以使用戶仍維持與原基地台的連線，減少建置基地台的費用。 因此，RS 的成本應明顯小於 BS 的成本。 問題 1 : 當小型基地台的成本接近於 RS 的價格實，RS的優點還在嗎? 問題 2 : 當 MS 與 BS 經由一個或多個 RSs，傳輸效能加強特性還在嗎? Source : IEEE 802.16j TG

16j Categories Frame structure Network entry / Connections & addressing BW request Construction & transmission of MAC PDUs Measurement & reporting Mobility management RRM, Scheduling & Interference control Security HARQ Modulation & coding, AAS / MIMO Others: Definitions, Evaluation methodology Hardware cost is similar with Mobile Station

WiMAX殺手級應用剖析 2G/3G cellular + 16e 手持式 裝置 Source : XOHM 2G/3G cellular + 16e 手持式 裝置 持續取代傳統 MMDS/LMDS 與 Propriety BWA 的市場 ( 長距離 Backhual 應用 ) Mobile TV/ VoIP /Skype /Goggle Phone 的應用

WiMAX使用者及電信業者需求考量 AAA PDG

Top 10 Worldwide 16e WiMAX Deployment Investment . 9. Sacrtel 8. Enforta 7 Summa Telecom US$100M .KT Wirbo 1. Sprint US$5,000M 3. KDDI US$3,800M 2. Taiwan US$660M 6. BSNL US$1,000M Dynamic regions: North America: allocated spectrum with players having moved in United States and Canada Latin America: very active with significant market in 2007. Alcatel-Lucent very active in the area Russia: very promising market with competition between 3G and WiMAX because of license allocations. WiMAX is a very promising technology because of poor DSL penetration China: WiMAX is not authorized yet but the situation is changing Asia Pacific (APAC): Rev d already in Australia, pioneers in South Korea and early adopters in Japan and Taiwan, where government is pushing WiMAX very hard, particularly to stimulate device-manufacturing segment Europe: Western Europe where licenses have been allocated in 3.5 GHz spectrum, mainly as a complement for DSL AMEI seems to be behind in terms of spectrum allocation and operator readiness, but momentum is growing 5.Bayannt Al-Oula US$100M 7. Burraq US$80M 10. Embratel US$3,000M 4. TATA Source: WiMAX Forum

Top 7 Global WiMAX Operator Investment County Operators BTS Vendor Investment (US$ million) USA Sprint/ClearWire Motorola, Samsung, Nokia $5,000 Japan KDDI( UQC ) Fujitsu, Samsung $3,800 India BSNL, TATA, Reliance Telsima, SOMA, MOTO, Samsung $1,000 Taiwan 大眾電信, 創一投資, 威邁思電信, 大同電信, 遠傳電信, 威達有線電視 Motorola, NEC, Alvarion, Nortel, Alcatel-Lucent $660 Russia Scartel, Summa Telecom Samsung, Alcatel-Lucent, Huawei $100 Saudi Arabia Bayannt, Al-Oula Samsung, ZTE Pakistan Burraq Alcatel-Lucent, Huawei $80 Source: World Carries, 2007, Complied by MIC, Novenber 2007 The latest figures will be updated The Investment Assumed before 2010

4 Angles To Evaluate A Technology Spectral Efficiency Increase without modifications to antenna systems protocol and scheduling efficiency License Bands paired / unpaired, FDD / TDD, use of scattered allocations Spectrum Capacity 1 Coverage Compatible dimensions and frequency bands MIMO systems Space Time Coding (STC) to increase range Spatial Multiplexing (SM) to increase capacity Smart Antennas 2 Antennas Complexity 3 Operator Profile Greenfield or existing network Area Profile Urban/suburban/rural Indoor hot spots (pico / femto cells) Sites Cost 4 *Source: “Next Generation Mobile Networks”, NGMN White Paper, Dec. 2006

Technology Choices LTE is targeted to exceed HSPA and mobile WiMAX in all aspects, but now WiMAX and HSPA still have advantage in timing leading HSPA WiMAX LTE Capacity Coverage Complexity Cost 1 2 3 4 Source: 2008 WPBU “4G technology” by Ace; 2007 Altran Technology & Media, A Consulting Firm founded by MIT professor Arthur Dehon Little

Conclusion – Technology WiMAX has advantage in capacity limited scenarios higher peak data rate higher spectral efficiency higher average date rate available per user HSPA has advantage in coverage limited scenarios greater link budget and MAPL greater cell range and area more users covered per cell/sector LTE aims at gaining advantage over HSPA and mWiMAX in all areas – capacity, coverage and complexity All three technologies have their place and will co-exist in the mid-term, but 3GPP driven technologies appear firmly in the lead Improvements in technology performance and resulting link budget (e.g. 802.16m) can give advantage to WiMAX particularly for Greenfield operators – but LTE will have advantage of 3GPP heritage 3GPP and 3GPP2 networks will migrate towards OFDMA technology (e.g. LTE, CDMA Rev. C)

行動WiMAX新興市場商機 第三世界國家, 寬頻基礎缺乏, 即需 WiMAX當作經濟實用的Internet網路, 又俱有 VoIP與QoS的功能 發展中國家, 有線寬頻建設來不及, 直接切入WiMAX網路是最快又最有效建置 已發展中國家, WiMAX提供給第二類電信業者一個與3G業者競爭業務的機會 對工業國家或極度開發國家, WiMAX是一個選項, 可有可無.但WiMAX就像是” 鄉村包圍城市” 的產業,如果能風雲湧起, 未來必也能帶來一番榮景.