隨著行動通訊技術的進步，行動式網際網路(Mobile Internet)正在悄悄改變每個人的生活。很快地，大量的資料將會以無線的方式在空氣中進行傳送。目前已有數種科技可以為使用者傳輸大量的數位資訊，其中包含無線區域網路(WLAN)802.11n，但它並不具備長距離傳送及移動性的能力。
目前長程演進計畫(LTE)和全球微波存取互通介面(WiMAX)是未來最有可能的候選人，這兩種技術已是增強型國際行動通訊(IMT-Advanced)的第四代無線通訊系統(4G)解決方案的正式候選人。本篇文章要介紹的是目前一些在WiMAX技術的改進及加強。
WiMAX 802.16m受矚目
目前新的802.16m修訂標準的主要目標是，在低移動性的環境讓WiMAX的資料傳輸率達到1Gbit/s，藉此讓它能夠處理一些移動式網際網路應用如影像串流服務。另一個目標是要符合國際電信聯盟(ITU)的IMT-Advanced需求。
目前802.16m在國際電信聯盟對IMT-Advanced標準中是可以同時具備處理4G的分時雙工(TDD)和分頻雙工(FDD)的能力。802.16m的標準修訂已於2010年發布。
802.16m/802.16e技術比較
為了達到更高的資料傳輸率，802.16m使用更寬的頻寬。技術上，它支援多載波傳輸，亦即在同樣的頻寬情況下可以傳輸一個以上的資料載波。802.16m支援的頻寬範圍高達100MHz。此外，增強型的多重輸入多重輸出(MIMO)技術已經被802.16m支援。這兩個技術的實現大幅地增加資料的傳輸率。
藉著802.16m新的架構概念，目前可以達到10毫秒(ms)的往返時間，並且在大量資料傳輸時可以減少訊號開支(Signaling Overhead)。在傳統和混合模式中，向下兼容到802.16e的裝置也已經支援。802.16m的能力不只是上面所說的這幾項，表1是802.16m技術的完整支援列表。
頻寬/頻帶
作為正式的IMT2000系統和IMT-Advanced候選者，802.16m將目標訂在目前以及未來的分時雙工與分頻雙工的頻帶。其主要的強化是多載波聚合。
理論上，不同的載波可能位於不連續甚至在不同的頻帶。但實際上連續的載波聚合(Contiguous Carrier Aggregation)更常見。每個載波可能有不同的頻寬。但典型的頻寬仍是5、10、20MHz。未來載波聚合可能會有100MHz的頻寬。圖1是一個802.16m的三連續載波及三不連續載波的簡單例子。
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| 圖1 802.16m的多載波操作對802.16e的單載波操作 |
此外，802.16m減少保護頻帶以及增加載波的數量(圖2)。保護副載波(Guard Sub Carrier)以及被使用的802.16m副載波被放在表2作比較。為方便比較，一個典型頻寬為10MHz的802.16e系統被標示成深色。
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| 圖2 802.16m保護頻帶的額外使用 |
藉著減少保護頻帶，802.16e的叢集數(Cluster)不符合802.16m被使用的副載波。這就是為什麼新的具有十八個載波的資源單位在此被定義的原因。幀結構(Frame Sturcture)已經為了最佳化空中接口資源(Resource Air Interface)的使用而被重新修改。
幀結構
802.16m相較於802.16e，已經簡化它的幀結構。802.16m幀長度(Frame Length)被標準定義成5毫秒。在802.16e幀長度範圍在2～20毫秒都有。802.16m的幀長度被限制成5毫秒是為了可以與其他的通訊系統共存，例如LTE使用5毫秒和10毫秒的幀長度。
在大量資料傳輸時，802.16m使用一個包含四個5毫秒的20毫秒超幀格式(Superframe)，減少每一個幀的傳輸控制資料，將其集中在一個幀，不用每個幀都放控制資訊(Control Information)。此外，針對傳統802.16e的向下兼容性，802.16m也已經支援。
在混和模式，802.16m與802.16e已經平行支援。802.16e區域已經被視為傳統區(Legacy Zone, LZone)，802.16m區被視為Mzone。
同時802.16e與802.16m有其各自的信令程序(Signaling Procedure)，例如前置訊號(Preamble)與MAP，而且可以彼此獨立運作。圖3是一個典型的分時雙工混合幀(Mixed Frame)。
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| 圖3 802.16m的傳統支援 |
802.16e的起始幀(Frame Start)是802.16e下載引導(Downlink Preamble)，當802.16m的起始幀在下載802.16e訊號結束時開始，然後802.16m的下載引導才被傳送。
對於大型資料封包，802.16m已經引進包含四個5毫秒幀的超級幀(Superframe of 20ms)。因此控制資訊也可以被分成長期與短期控制資訊。所謂的長期控制資訊，就如基地台的使用載波可以用一個超級幀一次傳送。而短期控制資訊則是，頻道資訊可以在每一個幀被傳送。圖4是一個在分時雙工架構下包含四個幀的超級幀結構。下載與上傳的超級幀的比例是五比三。這證明在分時雙工系統下，其支援非對稱上下載比例的可能性。
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| 圖4 802.16m的超級幀結構 |
根據這個上下載可用時間，可知它們是使用超級幀的結構。本例是三個子幀，包含五個符號(Symbol)與一個包含六個Symbol型態1的子幀。在802.16m標準中，相同的定義也已經被加入。
MIMO
802.16m支援2×1MIMO。MIMO的用語在802.16e與802.16m有所出入。表3顯示兩個不同標準的MIMO用詞比較表。
此外，編碼機率的數量已經被強化在表4。由於大量的可能型態，接著以多層編碼(Multi Layer Encoding)技術為例進行說明。
多層編碼支援分層編碼。層可以被定義成使用者或天線，或者同時為兩者。以一個使用者的空間多工(Spatial Multiplexing)2×2 MIMO來說，有兩層編碼指向兩個天線。藉由對天線分開編碼，不同的天線與頻道的特性可以被分辨得很好。
不同頻道的回饋可以很容易地被TDD探空(Sounding)達到。在分時雙工中，上傳和下載使用的頻率是相同的，因此上傳和下載可以使用一樣的頻道特性。在探空時，無線基地台發送一個已知易被基地台解析的上傳程序。同時包含一個被基地台指定編碼方式的DL量測訊號，DL的傳輸訊號可以在閉環迴圈內被正確的預先編碼。表4是不同模式定義的MIMO特性。
至於要決定使用哪一種MIMO模式，是根據不同的上下載頻道品質資訊。服務品質(Quality of Service, QoS)和資料傳輸率是根據基地台內不同的使用者和服務決定。基地台也根據不同的狀況決定使用哪種MIMO Mode。而為了簡化MS的回饋過程，編碼簿輸入(Codebook Entry)也會依據不同的頻道情況來被選擇。
802.16m未來可期
802.16m和LTE-advanced是正式的4G系統的候選者。從對802.11m的第五版草案的高接受度的標準來看，應該不會有太大改變。
(本文作者依序為羅德史瓦茲慕尼黑總部測試與量測部門技術經理、應用工程師)