WiMAX 技術原理與應用 中華電信股份有限公司 柯錫卿

寬頻無線網路 兩種寬頻無線服務形式: (1)「定點無線寬頻」(Fixed Wireless Broadband; FWB)是 DSL 和Cable Modem 的競爭對手。 (2) 「行動寬頻」(Mobile Broadband)的寬頻無線提供了可 攜性(portability)，「遊牧性」(nomadicity)和「行動性」 (mobility)功能。 「全球微波存取互通介面」(Worldwide interoperability for Microwave ACcess; WiMAX)正是設計用來結合這兩 種不同的無線寬頻應用的技術。

WiMAX 技術的演變可以劃分成以下四個時期 (1)窄頻無線市內用戶迴路系統 基於「數位增強無線電話系統」(Digital Enhanced Cordless Telephony;DECT)和「分碼多重存取系統」(Code Division Multiple Access; CDMA) (2)第一代「直視性」(Line-Of-Sight; LOS)寬頻系統 非常高速的無線系統「區域多點分散式系統」(Local Multipoint Distribution Systems; LMDS) 和「多通道多點分散式服務」 (Multichannel Multipoint Distribution Services ; MMDS) 。 (3)第二代「非直視性」(Non-Line-Of-Sight; NLOS)寬頻系統 「正交分頻多重存取技術」(Orthogonal Frequency Division Multiple Access; OFDMA)、「分碼多重存取」(Code Division Multiple Access; CDMA)和多重天線處理 (4)標準化寬頻無線系統 IEEE 802.16 的支援「分頻雙工」(Frequency Division Duplexing; FDD)和「分時雙工」(Time Division Duplexing; TDD)的單載波調變 技術，和IEEE 802.16a中加入的OFDM

定點寬頻無線的市場應用 (1) 消費者和小企業寬頻：包括高速上網，VoIP 電話語音 服務寬頻服務和其它很多網路上的應用。 (2) 企業的T1 模擬服務：取代T1/E1, fractional T1/E1 或其它更高速的服務。 (3) Wi-Fi 熱點的基幹網路：用來當作迅速發展的Wi-Fi 熱 點和3G(third-generation) 行動電話的基幹網路連線。

行動寬頻無線的市場應用 (1) 把遊牧的功能加到定點寬頻，提供隨身裝置上的 WiMAX服務 通訊服務。 (3) 行動WiMAX 在未來也可以提供VoIP 服務。

第三代行動通訊系統 (1) 原本「全球行動通信系統」(Global System for Mobile Communications; GSM)行動電話業者佈建「通用行動通信系統」 (Universal Mobile Telephone System; UMTS)和「高速下行封包存 取」(High Speed Downlink Packet Access; HSDPA)網路來做為3G 的寬頻數據解決方案。 (2) 傳統的CDMA 業者佈建「1x 演進-數據增強」(1x EVolution Data Optimized，1x EV-DO)來做為3G 的寬頻數據解決方案。 (3) 在中國和亞洲有些國家傾向採用「分時-同步分碼多重存取」 (Time Division-Synchronous CDMA; TD-SCDMA)來做為3G 的解 決方案。

Wi-Fi 系統 (1) Wi-Fi 是基於IEEE802.11 家族標準提供在建築物室內範圍寬頻無線，而其主要是區域網路(Local Area Networking，LAN)的技術。 (2) Wi-Fi 系統基於IEEE 802.11 a/g 標準，且支援54Mbps 的實體層峰值傳輸速率。 (3)Wi-Fi 系統「無線基地台」(Access Point; AP)基本上提供覆蓋範圍僅能在大約1000 英呎內。 (4) Wi-Fi 所棌用的「載波感測多重存取」(Carrier Sense Multiple Access ; CSMA)協議缺乏效率。 (5) Wi-Fi 最顯著的優點是有市場上有非常多的終端設備可供選擇。 (6) 未來Wi-Fi可支援更高的數據傳輸速率(IEEE 802.11n可達100Mbps)和提供了較佳的QoS 的功能。

WiMAX 和3G 及Wi-Fi 的比較 (1) WiMAX 的數據流量傳輸能力有賴通道頻寬大小(1.25MHz 到20MHz)的利用，不像3G 是用固定的通道頻寬。 (2) WiMAX和Wi-Fi 一樣採用OFDM ，而3G使用CDMA。 (3) WiMAX 可以達到比3G 系統更佳的頻譜效益。 (4) WiMAX支援對稱式的連線，3G 系統是非對稱式的數據傳輸速率。 (5) WiMAX 能夠支援先進的IP 應用如語音，視訊和多媒體，封包的優先順序處理和質量控制。 (6) WiMAX 最重要的優點是其相對簡單的IP架構，較具經濟上的優勢。 (7) WiMAX在支援漫遊和高速車行的行動性方面與3G 相比較差。

WiMAX 其它系統的比較 (1) IEEE 802.20 標準: 針對車速高達每小時250 哩的行動性寬頻解決方案。 (2) IEEE 802.22 標準則是將寬頻透過感知無線電的「無線區域網路」(Wireless Regional Area Networks; WRAN)來普及到鄉村和偏遠的地區。

寬頻無線的頻譜選項

寬頻無線和WiMAX 的商業挑戰 (1) 傳統寬頻服務的妨礙日益增加： a. DSL 和Cable modem 技術仍持續以迅速的步調演進 使其數據傳輸速度能力不斷增加。 b. 電信業者在網路內鋪設光纖 c. 其提供數據，語音和多媒體等多樣化應用 (2) 全球頻譜可獲得性的不同：全世界對於寬頻頻譜的分配 和法規不盡相同。 (3) 3G 的競爭：最重大的挑戰則來3G 技術。 (4) 裝置的發展：具有多樣化的終端裝置。

無線電通道 (1) 訊號強弱依據距離不同而衰減 (2) 大型障礙物的阻斷 (3) 接收的訊號封包的劇烈變動 (4) 時間分散(time dispersion)所導致符碼間干擾 (5) 運動所導致的頻率分散(frequency dispersion) (6) 雜訊 (7) 干擾

頻譜的稀少性: 只有很少部份的頻譜供商業使用 (1) 蜂巢式結構(cellular architecture)中細胞(cell)， 扇形區塊(sector)和叢集(cluster)的概念。 (2) 頻率重覆利用(frequency reuse) (3) 使用多重天線處理有效解決干擾 (4) 可適性調變和編碼 (5) 空間資料多工 (6) 有效率的多重存取技術

品質服務

行動性的挑戰 (1) 漫遊：經由集中式的資料庫來找出漫遊用戶台所在位置 的任務。 (2) 交遞：提供用戶台在移動時，其進行中的對話連線從一 個基地台到另一個基地台之間可以無縫隙的交遞。 (3) 支援不同性質的網路之間的漫遊和交遞。

可攜性的挑戰 (1) 可攜性的實現需要用戶裝置備置電池且重量很輕和儘可能 低耗電。 (2) 問題來自於行動終端裝置需要加入更強的處理能力和功能 在日益縮小的面積上。 (3) 必須尋找具省電效能的傳輸方法，具節約電能的協議，減 少需經常計算的訊號處理機制，低電力迴路設計製造，和 較長壽的電池技術。

安全性的挑戰 (1) 無線通訊是建立在一種開放的環境下，所以寬頻無線系統 的設計必須建立在一個完善而精良的安全性之上。 (2) 從終端用戶的角度來看，主要的安全性考量在於隱私權和 資料的完整性上。 (3) 從電信服務業者的觀點來看，防止未經授權而使用網路服 務是一項重要的安全性的考量。

無線網路的IP支援 優點: (1)「網際網路協議」(Internet Protocol; IP)已經成為現在通 訊系統中網路運作協議選擇。 挑戰: (1)如何使IP 相關協議更加有頻寬效益。 (2) QoS(延遲，抖跳和傳輸流量等)。 (3) 採用行動IP

WiMAX 概論 WiMAX 的背景 (1) IEEE 802.16: 基於單載波的「實體層」，和分時多工 (TDM)的MAC 層。 (2) IEEE 802.16a: 實體層使用「正交分頻多工」 (OFDM) 在MAC層支援「正交分頻多重存取」(OFDMA) (3) IEEE 802.16-2004:「定點式WiMAX」(Fixed WiMAX) (4) IEEE 802.16e-2005:「行動式WiMAX」(Mobile WiMAX)

「全球微波存取互通介面標準」(WiMAX)聯盟 (1) 對寬頻無線產品進行互通性和符合標準進行認證。 (2) 定義「系統描述」和「憑證內容」。 (3) 有「定點式系統描述」和「行動式系統描述」兩個不同的 系統描述。 (4) 5 種定點式的憑證內容，和14 種行動式憑證內容

WiMAX 的獨特功能 (1) 以OFDM 為基礎的實體層 (2) 非常高的峰值傳輸速率 (3) 支援可變動的頻寬和傳輸速率 (4) 可適性調變及編碼 (5) 鏈結層重傳機制 (6) 支援分時雙工和分頻雙工 (7) 正交分頻多重存取 (8) 動態彈性分配每位用戶的資源 (9) 先進式天線技術的支援 (10) 品質服務的支援 (11) 完善的安全性 (12) 行動性的支援 (13) 基於IP 的架構

OFDM 的基本原理 (1) WiMAX 的實體層基於「正交分頻多工」 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) (2) OFDM 是「多載波調變」(Multicarrier Modulation)的傳輸方法的家族的一員，其基本的概念是把一個高速傳輸速率的數據串流，切割成許多平行且較低速的傳輸速率串流。 (3) 多載波調變的方法消除了符碼間干擾，或把符碼間干擾(ISI)減低至最小。

OFDM 的優點 (1) 降低計算複雜度 (2) 在過度延遲下緩慢降低效能 (3) 頻率分集的利用 (4) 使用多重存取方法 (5) 對抗窄頻和干擾的優異能力 (6) 適合於互相密合解調

OFDM面臨所的挑戰 (1) OFDM 訊號在高峰值數據傳輸速率比率下，會引起非線性和片段的扭曲，導致沒有效率的功率消耗。 (2) OFDM 的信號較容易受「相位雜訊」(Phase Noise)和「頻率散射」(Frequency Dispersion)的影響。

WiMAX 中使用的OFDM 參數

OFDMA 的次通道化 次通道可以是相接連的次載波，或是隨機分佈的次載波所組成 (1) 「部份使用次載波」(Partial Usage of Subcarrier; PUSC): 次通道由分散的次載波所組成，進一步提供頻率的分集。 (2) 「可適性調變及編碼」(Adaptive Modulation and Coding; AMC):利用用戶分集。

槽和訊框的架構 (1) 「槽」(Slot)是最小的時間-頻率資源，其是WiMAX 系統用 來分配給特定的鏈結。 (2) 「訊框」(Frame)又可分為下行和上行兩種次訊框 (Subframe)。

WiMAX 支援的調變和編碼

MAC 層概論 (1) MAC 層的主要任務是在上層的傳輸層和下面的實體層之間 充作一個介面。 (2) MAC包括了「收斂次層」(Convergence Sublayer)來與多 種不同的上層的協議，如ATM、TDM 語音，乙太網路、IP 或甚至將來可能的協議來進行介接。 (3) WiMAX 的MAC 使用了不定長度的MPDU。

通道存取的機制 (1) 基地台中負責分配所有用戶上行和下行的連線頻寬 (2) 基地台分配頻寬給MS 是以總量的方式 (3) WiMAX 標準支援了多種機制，讓MS 用來請求以獲得上行 的頻寬 (4) WiMAX 定義了「競爭存取和解決機制」」(Contention Access and Resolution Mechanism)

QoS 品質服務 (2) 每個連線是由一個「連線識別號碼」(Connection Identifier;CID)之茲識別。 (1) 所有的下行和上行連線是由服務基地台(Serving Base Station)所控制。 (2) 每個連線是由一個「連線識別號碼」(Connection Identifier;CID)之茲識別。 (3) 「服務流程」(Service Flow)是一個單向的封包流，有特定的QoS 參數組和一個「服務流程識別號碼」(Service Flow Identifier; SFID)之茲識別。 (4) QoS 的參數包括訊務優先順序、最大的持續訊務速率、最大突衝比率、最小容忍比率、排程種類、ARQ 種類、最大延遲、可容許抖動、服務數據單位種類和大小、使用的頻寬 請求機制、傳輸PDU 格式規定等等。

WiMAX 支援的服務流程

WiMAX 定義了三種省電的等級 (1) 省電模式等級一: 休眠窗由最小值以指數的速度遞增到 最大值。 (2) 省電模式等級二: 固定時間長度的休眠窗，用在「非請 求的頻寬分配」(USG)服務時。 (3) 省電模式等級三: 允許一次性的休眠窗，在多播的訊務 或是管理的訊務，特別是MS 知道接下來的資料為何的 情况下。

WiMAX 定義四種行動性的使用方案 (1) 遊牧性：用戶允許使用一個定點式的用戶台可以在不同位 置重新接上網路。 (2) 可攜性：由隨身的裝置使用遊牧性的連線，可在使用「實 際可傳送之最大速率」(Best Effort)服務時仍可進行交遞。 (3) 簡單的行動性：用戶可能在高達60kmph 的速度下，在交 遞時只會遭遇很短的中斷(少於1 秒)。 (4) 完整的行動性：支援高達120kmph 的行動性和無縫隙的交 遞(少於50ms 的延遲和小於1%的封包遺失)。

IEEE 802.16e-2005 支援三種交遞的方法 (1) 「硬交遞」(Hard Handover; HHO) (2)「快速基地台封包交換」(Fast Base Station Switching; FBSS) (3)「巨多分集交遞」(Macro Diversity Handover; MDHO)

安全性功能 (1) 隱私權的支援：支援「新一代加密標準」(Advanced Encryption Standard; AES)和「三重資料加密標準」(Triple Data Encryption Standard; 3DES)。 (2) 裝置和用戶的認證：基於「可擴充式驗證協定」( (Extensible Authentication Protocol; EAP)，以支援了多種的認證方法，如使用 者名稱/密碼，數位憑證和智慧晶片卡。 (3) 彈性的金鑰管理協議：支援「隱私權和金鑰管理協議第2 版」(Privacy andKey Management Protocol Version 2; PKMv2)。 (4) 控制訊息的保護：採用訊息摘要方法(Message Digest Scheme)來進 行保護在空氣中傳遞的控制訊息。 (5) 快速交遞的支援：允許MS 與一個特定的目的地基地台使用「預先認證」 (Preauthentication)的方法來加速重新登入。

多播和廣播的服務 (1) MS 請求和建立MBS 的信號機制。 (2) 視容量和偏好設定不同，用戶台可以透過一個或多個基地 台來存取MBS。 (3) MBS 相關的QoS 和加密功能，使用了共同全域通用的訊 務加密金鑰。 (4) 在MAC 訊框中特別獨立出來的一個區域給MBS 訊務放入 MAP資訊。 (5) 傳送MBS 訊務給在「閑置模式」中用戶台的方法。 (6) 支援巨多分集來加強MBS 訊務的傳輸效能。

先進的天線系統 混合式ARQ (1) 發射分集 (2) 波束合成 (3) 空間多工 (1) 「類型I 的追逐合併」(Type I Chase Combining) (2) 「類型II遞增性冗餘」(Incremental Redundancy)

WiMAX網路分為三個部份 (1)用戶用來存取網路的行動台 (2)「存取服務網路」(Access Service Network; ASN)，其由一個或多個基地台所組成，還有一個或多個ASN 閘道器(ASN Gateway)在網路邊緣組成「無線存取網路」(Radio Access Network) (3)「連接服務網路」(Connectivity Service Network; CSN)提供了IP 的連線和整個IP核心網路的功能。

WiMAX網路的三種商用實體 (1) 擁有和營運ASN 的「網路存取業者」(Network Access Provider; NAP); (2) 結合一個或多個NAP 的ASN 基礎建設，以提供IP 連線和WiMAX 服務給用戶的「網路服務業者」(Network Services Provider; NSP)； (3) 提供例如像使用「IP 多媒體子系統」(IP multimedia subsystem; IMS)的多媒體應用和基於IP的企業「虛擬私有網路」(Virtual Private Network; VPN)等相關加值服務的「應用服務業者」(Application Service Provider; ASP)。

WiMAX網路的三種商用實體

WiMAX 網路架構中的實體介接介面「參考點」(Reference Point) (1) MS 和ASN 之間的介面稱作R1，除了空中介面之外，其也包括管理層面 的協議 (2) MS 和CSN 之間的介面稱作R2，其提供了認證程序，服務的授權，IP 的設定組態和行動管理等功能 (3) ASN和CSN 之間的介面稱作R3，其用來支援負責QoS 政策的執行和行動管理等功能(4)ASN 和ASN 之間的介面稱作R4，用來支援ASN 之間的行 動性 (5) CSN 和CSN 之間的介面稱作R5，其用來支援多個NSP 之間的漫遊功能 (6) BS 和ASN-GW 之間的介面稱作R6，其包含了ASN 內的行動性事件的載 運媒介路徑和IP 隧道等 (7) BS 和BS 之間的介面稱作R7 來完成快速和無縫隙的交遞

寬頻無線通道的挑戰 數位無線通訊系統

寬頻無線通道中的路徑損耗和遮蔽 (1) 路徑損耗 地面傳播環境不是一個自由空間，其反應了地表 和其它物質會因較多的能量抵達了接收器而增強了其接收功 率。一個反射波通常會有一個180°的相位位移，一個相對長 的距離下(通常超過1公里)的反射會造成破壞性的干擾。 (2) 遮蔽 位在發射器端和接收器端之間的樹木和建築物，都有 可能會導致接收端的接收信號功率的強度，暫時受到影響而 降低，而直視性的發射路徑也可導致暫時異常過高的接收的 訊號功率。

蜂巢式的概念 (1) 「細胞」是在蜂巢式系統中，基地台的服務覆蓋範圍。 (2) 基地台的發射功率的強弱限制在細胞範圍內，將干擾減小。 (3) 因傳播上的路徑損耗所造成空間上的阻隔，不同細胞可以同 時在相同的頻率通道上運作 (4) 頻率複用的比率應依基地台之間可接受的干擾程度來決定， f=1/3 表示三個細胞中只有一個細胞使用一個特定的頻帶。 (5) 細胞間平順的交遞則是在蜂巢式系統設計中的一個挑戰

蜂巢式架構

扇形區塊化的缺點 (1) 成本上的考量: 扇形區塊化增加了每個基地台的天線數量 (2) 基地台中的通道也因此進行劃分而降低了傳輸的效率 (3) 因扇形區塊間的交遞數量增加，也增加了額外的信號處理和 傳輸 (4) 在有嚴重散射的通道中，有效的功率可能因為射向其它區塊 中而損耗，會引起扇形區塊間干擾和功率損耗的問題。

寬頻無線通道中的衰減的問題 (1) 路徑損耗和遮蔽分別是由於長距離下或是因障礙物的造成較 大規模衰減的影響。 (2) 衰減是由於接收到相同信號但卻不同版本的問題，原因是由 於反射所引起的，又稱為「多重路徑」(Multipath)。 (3) 經反射的信號可以是具建設性或是具破壞性，視抵達信號間 的不同相位而定。

(1) 建設性干擾和 (2)破壞性干擾

延遲展延和相干頻寬

寬頻衰減參數的摘要和最佳規則

WiMAX 應用中一些典型的都普勒展延和近似相干時間

角度展延和相干距離 (1) 通道中角度延遲在統計分佈上視為為能量抵達的角度。較大 的角度延遲意謂著通道能量由不同方向投射進來，而較小 的角度延遲其意謂著能量是較集中的。 (2) 相干距離就是雙重角度延遲。

寬頻衰減通道模型 (1) 統計型通道模型 a. 瑞利衰減 b. 直視性通道：萊斯分佈 c. 中上的m 衰減 (2) 經驗型通道模型 a. 3GPP通道模型 b. 半經驗型通道模型

窄頻(平坦)衰減的對策 (1) 以時間分集克服窄頻(平坦)衰減: a. 編碼/交錯(Coding/Interleaving) b. 可適性調變(Adaptive Modulation) (2) 以空間分集克服窄頻(平坦)衰減: a. 接收器端或是發射器端有兩個或以上的天線 (3) 以頻率分集克服窄頻(平坦)衰減: a. 利用達成頻率分集同時又可維持對抗時間色散的先進技術

寬頻衰減的對策 (1) 展延頻譜: 假定數據速率維持不變，增加發射的速度可以幫 助克服多重路徑的衰減。因為增加一個窄頻數據信號的發射 速度會變成一個寬頻的發射。 (2) 等化器: 是在OFDM 之外另一個壓制符碼間干擾的最具邏輯 的方法了，因為其不需額外的天線或是頻寬，且只有適度的 複雜性。等化器是在接收器上進行實作，其企圖反轉因通道 所引起的扭曲。 (3) 多載波: 其原理是比較像是用來對抗時間色散的符碼間干擾 通道。

正交分頻多工 多載波調變 (1) 數位通訊系統中的符碼間干擾(ISI)會導致通訊無法作用。 (2) 多載波調變可將高速率傳輸位元串流分割為L 個較低速率 的串流(次通道)，每個都是Ts/L τ，所以有效地達成次ISI 的需求以克服這個問題。 (3) 次通道在理想的傳播條件下互相正交，這就是指正交分頻 多工(OFDM)。 (4) 所以次通道只會面臨相對平坦的衰減。

一個基本的多載波發射器

一個基本的多載波接收器

OFDM 基本概念 (1) 具有保護區間的區塊傳輸: 於將L 個「資料符碼」(Data Symbol)整個組合起來為一個區 (2) 環形迴旋和離散傅利葉轉換: a. 輸出將會是輸入和通道的線性迴旋 b. 時間領域中的環形迴旋和在頻率領域中的簡單乘積之間的 雙重性是對DFT 的獨特特性 (3) 循環字首: 將循環字首加到發射的訊號中以提供環形迴旋。 (4) 頻率等化: 就是資料符碼則使用一次性探測的頻率領域等化器來估測

OFDM 通訊系統中的主要步驟 (1) 將頻寬分割為L 個窄頻信號(次載波)，整個符碼速率不變 (2) 使用單一個寬帶無線電波，次載波則使用IFFT 操作來進行 調變。 (3) 讓IFFT/FFT把ISI 通道分解成具正交性的次載波，加上循環 字首，接著由寬帶通道傳送出去。 (4) 接收器端一接收到循環字首便將其丟棄，接著使用FTF 操作 將L個接收到的符碼進行解調變以得到L 的資料符碼。 (5) 每個次載波接著可以經由FEQ 來進行等化。

OFDM 區塊的流程圖

OFDM 基頻發射器

時間和頻率上的同步 為了要解調OFDM 信號，接收器端需要能執行時間和頻率同步 的兩項任務。 (1) 「時間同步」(Timing Synchronization)就是符碼在時間上的偏 移量和最佳的時間上的瞬間要能決定下來。 (2) 「頻率同步」(Frequency Synchronization)就是接收器要調校其 載波頻率與傳送的載波頻率儘可能接近。

WiMAX 中的同步 同步的演算法是基於「前導符碼」(Pilot Symbol) 或「隱蔽」(Blind)的循環字首兩類: (1) 傳送已知的前導符碼: 因為接收器已知道會接受到什麼訊號，所以進行快速和精確的時間和頻率的同步就容易，但是必須要付出一些傳輸成本。在WiMAX 的下行方向，其表頭包含了已知的OFDM符碼，所以其可以用來進行同步的初始化。而在WiMAX 的上行方向，而「期間測距」(Periodic Ranging) 則可以用來進行同步。 (2) “隱蔽”(Blind)是指接收器對前導符碼一無所知，所以接收器在沒有明 白提示來決定通道的效果下，必須盡力而為。在沒有前導符碼的情形 下，循環字首其包含了重複的資料可以用作進行時間和頻率的同步。

降低峰均值比率(PAR)的策略 (1) 波峰消減 將抗波峰訊號，變成理想的訊號。 (2) 訊號配對

多重天線技術 「多重輸入多重輸出」(MIMO)通訊是用來 1. 增加系統可靠性(減少位元或是封包錯誤率) 2. 增加可達到的資料速率，同時也增加了系統容量 3. 增加覆蓋範圍 4. 減少所需發射功率

空間分集的優點 (1) 矩陣增益 a. 分集增益是從發射器和接收器之間所建立起來的多個獨立通道而來的，而且是為這些在統計上具多樣化通道的乘積。 b. 矩陣增益是不依賴在通道之間的統計分集，而藉由協同綜合在每一個天線上所接收到的能量來改善增強其效能。 (2) 分集增益和降低的錯誤比率 (3) 增加的資料速率 (4) 增加覆蓋範圍或是降低發射功率

接收分集 (1) 選擇合成 對所有信號中的每個串流進行簡單的瞬間強度測量，然後再從中選出最強的一個，不過缺點是這種方法忽略了其它串流上可用的能量。 (2) 最大比例合成 為了達到最大的功率信噪比，其合併了所有從分支上所接收的資訊。因為其忽略了干擾的功率，這些干擾的功率的統計值可能在每個分支上都不同。

接收分集：選擇合成(左)和最大比例合成(右)

發射分集 (1) 開放迴路發射分集 在發射器上使用了一個接收器所知的碼。 接收器必須先知道通道的情況，才能解開空時碼，不過要進行解碼操作之前，需要先了解通道的情況。 (2) Nt x Nr 的發射分集 a. 2×2空時區塊碼 b. 4x2 堆疊型STBCs (3) 閉鎖迴路發射分集 系統中加入反饋機制，發射器就能了解自身到接收器之間的通道狀況。 a. 發射選擇分集 b. 線性分集的預編碼

發射分集與接收分集的比較 (1) 接收分集： 傳輸流量的增加是由於接收分集是與接收天線的數量 呈對數關係。 (2) 發射分集： 需要額外發射的功率，接收SNR不會因發射天線的 增加而增高。

波束合成 (1) 以實體導向的「抵達方向」(Direction Of Arrival；DOA) 為主的波束合成 (2) 以數學導向的「本徵波束合成」(Eigenbeamforming)

空間多工的MIMO 系統

單一鏈結MIMO 系統模型的要點 (1) 當SNR 值大時，容量或最大資料速率隨min(Nt, Nr)log(1+SNR) 容量最大化的策略。 (3) 就容量上來看，這兩個情況都優於空時碼，其中資料速率是 隨最佳的Nr 對數而成長。 (4) 相對於SISO 系統，所有Nt 串流的平均SNR 不需增加發射功 率就能維持，因為每個傳送串流是在Nr ≥Nt 的天線所接收 到。

干擾壓制技術

閉鎖迴路優點 古典MIMO 理論的缺點 (1) SVD預編碼和後編碼 (2) 線性預編碼和後編碼 為了考慮在WiMAX 系統中MIMO 可能帶來的增益假設如下： (1) 因為H中的項數都是隨機變動的數值，所以多重路徑的因素 可以忽略不計，也就是只有平坦頻率衰減。 (2) 因為項數為i.i.d.，所以所有天線都無相關性。 (3) 通常干擾可以忽略，而背景雜訊也假設很小。

MIMO 蜂巢式系統的其它細胞干擾

MIMO-OFDM 通道估測 (1) 在以訓練型的通道估測中，已知符碼式特別地傳送以協助接收器的通道估測演算法。 (2) 在隱蔽的通道估測方法中，接收器則必須在沒有已知符碼的協助下進行通道的決定。

傳送訓練型符碼的方式有兩種 使用「前置碼」(Preamble)和「前導調音」(Pilot Tone)。 (1) 前置碼就是指在用戶的資料符碼之前先傳送一定數量的訓練符碼。在OFDM 的情形下，一般來說是一個至兩個前置碼的OFDM 符碼。 (2) 前導調音是在次通道之間插入一些已知的前導符碼。

MIMO-OFDM 中三種不同類型的訓練信號的傳送方法

MIMO 中的先進技術 (1) 分集和多工之間的切換 在STBCs，堆疊STBCs 和閉鎖迴路這幾個模式之間，依錯誤修正編碼，頻率間隔和可適性調變這幾個用來提供分集的技術之間進行切換 (2) 多用戶MIMO 系統 多個用戶可以同時以多工的方式，同時得到多用戶和分集的優點的概念。

正交分頻多重存取 OFDM 的多重存取策略 (1) 在「分頻多重存取」(FDMA)中，每個用戶會分配到一個獨立的載波頻率和頻寬。 (2) 在「分時多重存取」(TDMA)中，每個用戶與分配給一個單獨的時槽，其依實際需求或是固定式的輪流使用。 (3) 具正交性的「分碼多重存取」（CDMA）系統允許每個用戶與其它許多用戶共用頻寬和時槽，並且靠「正交二進位編碼」來區分不同用戶。

隨機存取與多重存取的比較 (1) 隨機存取是用戶間競爭通道的使用權而非對其分配保留時間、頻率、或是編碼資源的方式。 (2) 常見的隨機存取技術包含了ALOHA 和「槽式ALOHA」（Slotted ALOHA）還有「載波感測多重存取」（Carrier Sense Multiple Access；CSMA）。 (3) CSMA是一種常用在以封包為主的通訊系統中，最常見的就是乙太網和無線區域網路，像是802.11。 (4) FDMA 和TDMA 在當所有的用戶都有資料要傳送的情形下，比CSMA 要來得有效率，但是在FDMA 和TDMA 中所未經使用的頻率和時槽可能將效益相當程度的減低。。 (5) CDMA在語音的應用中是十分的成功。 (6) WiMAX不會考慮採用CSMA，資源分配的重擔就放在基地台的位置上。

(1) FDMA 和(2)與TDMA 合併的FDMA

碼分多重存取(CDMA)

OFDMA 的優點 (1) OFDMA 是FDMA 和TDMA 的混合體：用戶經動態指配給次載波(FDMA)在不同的時槽上(TDMA) (2) OFDMA 是一種相當具彈性的多重存取技術，可以適用於多個用戶使用各式各樣的應用服務，資料速率和Q0S 需求 (3) 可動態和有效率的進行頻寬分配 (4) 精細的時間和頻率領域的排程演算法可以提供用戶更佳服務 (5) 與OFDM 有關的重要優點，就是其可以降低發射功率，進而解決「峰均功率比率」(Peak to Average Power Ratio；PAPR)的問題 (6) 有效分配次載波給用戶，通常是用戶所在位置通道條件較好的次載波

可適性調變和編碼的塊狀流程圖

資源分配通常都被當作為一個系統優化的問題限制 (1) 將用戶的資料速率設限以把整體發射功率降到最低，適合於 固定速率的應用，像是語音 (2) 將整體發射功率設限以將傳輸速率放到最大，此種比較適合 有突衝特性的應用，如數據和其它IP應用

OFDMA的協議摘要 (1) 次通道化 a.「分散式次載波排列」(Distributed Subcarrier Permutation) 散佈在整個頻寬之中，主要優點在 於增加頻率分集和精良性。 b.「相鄰次載波排列」(Adjacent Subcarrier ermutation) 在頻率範圍之內，主要優點在於增加多用戶分集。 (2) 配對訊息 讓每個行動台能知道分配到的次載波

OFDMA的協議摘要 (3) 測距 a.「初始測距」(Initial Ranging) b.「定期測距」(Periodic Ranging) c. 「頻寬要求」(Bandwidth Request) d.「交遞測距」(Handover Ranging) (4) 蜂巢式OFDMA (5) 分集增益的限制 a. 利用了在多個行動台之間的所形成的多用戶分集， b. 次載波之間的頻率分集 c. 允許延遲時間所得到時間分集。 d. 空間分集也是WiMAX 系統中的重要面向。

寬頻無線的網路和服務面向 提供寬頻無線的端對端網路和服務的考量 (1) 如何提供端對端的「品質服務」(QoS)? (2) 如何提供通話/ 對話連線控制服務? (3) 如何提供網路中的具安全性的服務? (4) 如何對一個移動中的用戶進行定位，如何維持一個持續中的對話連線?

何謂QoS？ (1) 表示某種形式地保證以某程度提供服務。 (2) 效能品質分級基本上是經由明訂出傳輸流量，封包耗損， 遞延，和跳動的需求，隨應用和服務的不同而相異。 (3) 硬性的量化測量數據，如保證所有語音封包99%的時間中 可以小於100ms 的延遲傳送 (4) 軟性的量化測量數據則是保證某些應用服務或用戶具優先 權會高於其它應用服務或用戶。

封包網路中的QoS 機制 (1) 要提供端對端的QoS 必須在「控制層」(Control Plane)和「資料層」(Data Plane)都要有相對應的機制。 (2) 控制層的機制是用來允許用戶與網路能對所需的QoS 需求進行協商同意，辨別哪些用戶和應用允許什麼樣式的QoS，並使網路能適切的對每個服務進行資源配置。 (3) 資料層的機制則是用來實現和執行先前同意的QoS 需求，藉由控制每個應用/用戶使消費的網路資源數量。

三種IP 的QoS 技術 (1)「整合式服務」(Integrated Services；IntServ) (2)「差異化服務」(Differentiated Services；DiffServ) (3)「多重協議標籤交換」(Multi-protocol Lable Switching；MPLS)

整合式服務架構支援三種QoS類型 (1)「保證服務」(Guaranteed Services)提供硬式保證，包括將端對端的延遲和跳動的上限進行數量限制，且由於暫存滿溢也無封包漏失。這種服務的目的是在IP 網路中特定速率的電路交換服務。 (2)「負載控制服務」(Controlled Load Services)提供質量上的保證，其目標在提供一種類似用戶只會體驗到低負載的網路服務。這種服務提供一個保證持續速率，但是對延遲和封包漏失並不保證。 (3)「盡力而為服務」(Best-Effort Services)並不提供任何保證，且沒有任何的資源保留。

多協議標籤交換

對話連線初始協議(SIP) (1) SIP 協議是一種以交易導向為基礎，運行在IP 層上的應用層協議。 (3) 設計理念為將信號處理協議和服務本身分離開來，也將適用於未來的可能服務。 (4) 目前支援多媒體通話建立、用戶行動能力、會議通話、多播、來電轉接、其它附加服務、「統一訊息」(UnifiedMessaging)、「出現偵測」(Presence Detection)，和「即時訊息」(Instant Messaging)等服務。

基本的SIP 架構

無線通訊系統的安全性架構應支援 (1) 隱私權：防止用戶資料在從來源地到目的地的傳送期間 遭到竊取。 (2) 資料完整性：確保用戶資料還有控制/管理的訊息在經傳 送時能免於被竄改。 (3) 認證：提供一個機制來確保某個用戶/某個裝置具有真實的 身份證明。相反地，用戶/裝置也應可以驗證其所連接的網 路的真實性。 (4) 授權：提供一個機制來驗證某個用戶有權使用某種特定的 服務。 (5) 存取控制：確保只有經授權的用戶才能使用所提供的服務

IP 堆疊中的安全性機制範例

行動管理 (1)「位置管理」(Location Management): 任何時間可對「行動台」(Mobile Station；MS)進行定位(包括閒置中的MS)，不管其位在網路內的哪一個角落。這種辨識和追蹤MS 目前在網路中的存取點的過程稱為「位置管理」(Location Management)。 (2) 「交遞管理」(Hand Off Management): 維持一個持續不中斷的對話連線，即使是MS 從一個基地台的覆蓋範圍到另一個基地台，便需要一個機制來使這個過程能不知不覺的移轉。

行動IP的組成元件

行動IP 的限制 (1) 缺乏效率的路由 (2) 進入端過濾的問題 (3) 私人位址議題 (4) 位址資源的匱乏 (5) 需要使用FA (6) QoS 資訊的遺失 (7) 對某些IP 應用的議題 (8) 額外的信號耗費 (9) 緩慢的交遞

行動IPv6 的優點 (1) 支援安全路由優化 (2) 不需外地代理 (3) 沒有進入端過濾的問題 (4) 不用穿隧技術 (5) 減少信號的額外耗費

WiMAX 的實體層 IEEE802.16 標準套件所定義的4個實體層 (1) WirelessMAN SC，是一種單載波的PHY 層，其預期在LOS 條件下且 高於11GHz的頻率上運作。這個PHY 層是最原始的802.16規格定義。 (2) WirelessMAN SCa，是在頻率2GHz 和11GHz 之間點對多點的單載波PHY運作。 (3) WirelessMAN OFDM，是在頻率2GHz 和11GHz 之間點對多點，256 點FFT 型OFDM PHY 層，但在非LOS條件下仍可運作。又稱「定點 式WiMAX」(Fixed WiMAX)。 (4) WirelessMAN OFDMA，是頻率2GHz 和11GHz 之間點對多點，2048 點的FFT 型OFDMA PHY 層，可運作在NLOS 條件下。通常被稱為 「行動型WiMAX」(Mobile WiMAX)。

WiMAX PHY 層的功能階段

閉鎖迴路MIMO 架構

WiMAX 的MAC層 WiMAX重要的MAC 層功能為 (1) 區隔或是連接從較高層接收到的「服務資料單元」(Service Data Units；SDUs )，把其放置到MAC 的「協議資料單元」(Protocol Data Units；PDUs)之中，而其就是MAC 層的資料單位的基本建構區塊。 (2) 選擇適當的突衝特色組合和功率等級，用來進行MAC PDUs 的傳輸。 (3) 當採用「自動重覆請求」(Automated Repeat Request；ARQ)時，便會重傳接收端所接收到的錯誤MAC PDU。 (4) 提供不同分層資料和信號載運媒介的MAC PDU 的QoS 控制和優先控制。 (5) 在PHY 資源上的MAC PDU 的排程。 (6) 提供較高層對行動管理的支援。 (7) 提供安全性和金鑰管理。 (8) 提供節能模式和閒置模式的操作。

節能運作 (1) 「休眠模式」(Sleep Mode): MS可能有1 個或多個CID，其與BS 協調暫時中斷其空中介面的連線達一個預先決定好的時間， 這個參數稱為「休眠窗」(Sleep Window)。而每個休眠窗後會接著一個「傾聽窗」(Listen Window)，在這個期間MS 會恢復其連線。 (2) 閑置模式(Idle Mode): 這種閒置模式是一種選項，當MS沒有進行中的資料對話連線時, 行動中的MS 免除交遞的需要。閒置模式也幫助BS 能保留其PHY和MAC 的資源，當MS 在閒置模式中時，不需要來進行任何有關交遞程序或信號處理。

WiMAX網路架構 基礎架構的通用性規劃設計原理原則 (1) 功能拆解 (2) 模組化和彈性化佈署 (3) 支援多樣化的使用模式 (4) 分離存取網路和連線服務 (5) 支援多樣化的商業模式 (6) 廣泛採用IETF協議 (7) 支援存取現存營運業者的服務

WiMAX網路參考模型

WiMAX 的「網路參考模型」分割為三個邏輯部份 (1)用戶用來存取網路的「行動台」(MS) (2)「存取服務網路」(ASN)，是由「網路存取業者」(NAP)所經營，由一個或多個基地台所組成，還有一個或多個ASN 閘道器(ASN Gateway)所組成「無線存取網路」 (3)「連接服務網路」(CSN)，其由「網路服務業者」(NSP)所經營，並且提供了IP 的連線和整個IP 核心網路的功能

ASN 執行的功能 (1) 基於IEEE 802.16e 的第2 層與MS 進行連線 (2) 依用戶的喜好的CSN/NSP 進行網路的發現和選擇 (3) AAA 的代理：轉發裝置、用戶和服務的認證資料給選用 的NSP的AAA 伺服器，並且暫存「用戶相關資料」 (4) 在MS 和CSN 之間進行建立IP 連線的轉送功能 (5) 基於NSP 或ASP 的QoS 政策要求來進行「無線電資源管理」 和分配 (6) 有關行動性的功能，像是交遞，位置管理，ASN 中的廣播 呼叫，還有包括支援「行動IP」的「外地代理端」功能。

CSN 提供的功能 (1) 對MS 上的用戶對話連線配置IP 位址 (2) 擔任AAA 的代理或伺服端來對用戶、裝置、和服務進行 認證、授權和計費功能 (3) 根據用戶SLA 或契約提供政策和QoS 管理，用戶所屬母網 NSP的CSN 將用戶資料直接傳送給NAP，或經由客網的NSP 來傳送 (4) 用戶帳單和電信業者間的拆帳 (5) 建立CSN 之間的通道以支援NSP 之間的漫遊 (6) ASN 之間的行動管理和行動IP 的本地代理端的功能 (7) 為Internet 連接、與其它IP 網路的連接、ASP 之間的連線、 位置相關服務、端對端服務，VPN、IP 多媒體服務、執法 單位支援、和訊息服務等提供連線基礎建設和政策控制

WiMAX 端對端的邏輯架構圖

WiMAX中PKMv2用戶認證步驟 (1) 展開802.16e 網路進入和協商 (2) EAP 訊息的交換 (3) 建立「共用主要對話連線金鑰」(MSK)和「加強性主要對話連線金鑰」(EMSK) (4) 認證金鑰的產生 (5) 認證金鑰的轉送 (6) 安全關聯的轉送 (7) 產生和轉送「訊務加密金鑰」(Traffic Encryption Key) (8) 服務流程的產生

ASN 的安全性架構的四個功能性實體 (1) 認證端：其定義在RFC 4017 的EAP 規格當中； (2) 認證轉送：是在基地台當中的一個功能性實體，其經由認 證轉送協議來轉送EAP 封包給認證端 (3) 金鑰分配端：是一個持有經由EAP 交換所產生出來的MSK 和PSK6金鑰的功能性實體 (4) 金鑰接收端：是一個持有認證金鑰和產生其餘定義在 IEEE802.16e-2005 中的金鑰

WiMAX 中動態服務流程的建立遵循的三個通用步驟 (1) 就每個用戶來說，許可的服務流程及其相關的QoS 參數是經由「管理層面」(Management Plane)進行開通的。 (2) 服務流程的請求是由MS 端開始，或是由基地台針對所開通資訊進行評估，如果允許的話，服務流程便可建立。 (3) 一旦建立了服務流程，基於可利用的資源多寡，由基地台來認可。如果通過認可，當資源一經指配，則這個服務流程就進入活動狀態。

WiMAX 的行動管理架構設計 (1) 將封包損耗和交遞延遲減到最少，保持封包次序來支援車行速度下的無縫隙交遞 (2) 在有關行動性的事件中，遵循IEEE 802.16 和IETF EAP RFCs 中的安全性和可靠性的架構 (3) 支援「巨多分集交遞」(Macro Diversity Handover; MDHO)和「快速基地台封包交換」(Fast Base Station Switching; FBSS) (4) 在執行交遞程序時，將信號往返的數量減到最少 (5) 保持交遞控制和資料路徑控制的分隔 (6) 支援多種佈建的方案和還有讓ASN 可以完整的拆解出來 (7) 支援IPv4 和IPv6 的行動管理和提供行動裝置可以使用多個IP 位址，和同時使用IPv4 和IPv6 進行連線 (8) 在NSP 之間保持垂直或在不同技術之間的交遞和漫遊的可能性 (9) 允許單一NAP 服務多個MS，可以使用不同NSP 所擁有的私用或公用IP 領域 (10) 支援兩種靜態和動態母網位址配置組態 (11) 允許政策上和動態上的本地代理端分配，來促進路由優化和負載平衡的功能

WiMAX 的鏈結層效能表現 無線網路模擬 (1) 一個全方位無線網路的完整PHY 和MAC 模擬包含了多個「基地台」(Base Stations；BS)和多個「行動台」(Mobile Station；MS)。 (2) 模擬分為兩個層級： a. 鏈結層模擬: 在觀察短時間中的單一鏈結，且模型建構通常會牽 涉到PHY 層的所有面向和MAC 層的部分面向, 會達成一個抽象的 模型，擷取在某個無線電條件下的單一鏈結的行為。 b. 系統層模擬: 每個鏈結都具有統計上的抽象性，對較高層的協議 層實體來進行模型建構，像如MAC，「無線電資源管理」，和 行動性管理。

包含一個發射器和一個接收器的鏈結層模擬器 (1) 發射器是負責來在訊號從無線通道傳送出去之前進行所有的數位和類比領域的訊號處理﹔如通道編碼，交錯，符碼配對，和空時編碼。

包含一個發射器和一個接收器的鏈結層模擬器 (2) 接收器有兩個主要功能，一個是估測發射訊號，一個是提供反饋，以讓發射器能根據通道的條件來採用其傳輸格式。

一個通訊系統

WiMAX 的系統層效能表現 無線通道模型的分層 (1) 第1 個分層是在最大的空間規模中，其中用一個數學模 型用來描述當訊號在通道中傳送時因距離變化而在功率 上發生衰減的現象。 (2) 第2 個分層是對從媒介距離相關數值的接收訊號功率中 的本地變異數進行模型建構和遮蔽衰退，和強調了如地 勢，穿透樹葉的能力，和大型障礙物所引起的不同程度 的無線通道變化。 (3) 第3 個分層，可以歸類為在一個小規模中所觀察到的訊 號強度差異。

WiMAX 網路行為的結論 (1) 如沒有足夠的頻譜的話，在(1,1,3)頻率複用下使用分割區塊的方法也能夠提供良好的細胞邊緣行為。 (2) 排程演算法和其可靠性利用多用戶分集的優點，其使得在平均傳輸流量上有很可觀的改進。 (3) 接收器上的分集提供了在平均傳輸流量在50%到80%很可觀的增益。 (4) 具有線性預編碼和波束合成的閉鎖迴路MIMO 似乎在細胞邊緣經驗和平均傳輸流量兩者都提供了相當大幅度的改善。 (5) WiMAX 網路的整體頻譜效益，其定義為每扇形區塊平均傳輸流量除以用來進行頻率複用所需的總頻率，與目前的蜂巢式網路相較來說為十分地高。

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