【行動WiMAX實戰系列】
隨著IEEE 802.16e-2005標準於2005年12月底定，加上WiMAX論壇(Forum)中的網路工作群組(Network Working Group)於2007年3月底完成1.0.0版網路架構(Network Architecture)文件，使得支援行動性功能的都會寬頻無線網路儼然成形，讓WiMAX技術朝向行動式邁進。
電信系統業者全力展開部署
過去兩年來，以802.16-2004標準為主軸的固定式WiMAX技術發展趨於成熟，已有為數不少的開發中國家採用固定式WiMAX技術布建其寬頻高速網路，取代現有的有線和數位用戶迴路(DSL)，提供固定、行動及可攜式的無線寬頻服務。
如今，WiMAX技術的標準化及商用化進程均出現重大突破，支援行動性功能的802.16e-2005標準已逐步修改完善，並成為主導，配合正在制定中支援行動性功能的802.16j無線中繼站標準(Multi-hop Relay, MR)，大大增強行動式WiMAX網路的布建優勢；而位於產業鏈前端的晶片研發發展迅速，目前已有英特爾(Intel)、意法半導體 (STMicroelectronics)、Runcom、Beceem、Picochip及Sequans等公司陸續提供支援802.16e-2005 的正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)技術晶片組，且大部分晶片組都將支援多重輸入多重輸出(MIMO)及適應性天線系統(Adaptive Antenna System, AAS)技術。
由於固定式WiMAX技術採用的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)實體(PHY)層技術，與行動式WiMAX技術採用的OFDMA實體層技術無法相容，在全球大型電信系統業者傾向採用行動式WiMAX設備進行布建的情況下，造成電信設備製造商逐漸暫停、甚至放棄研發固定式WiMAX技術與設備，全力朝向研發行動式WiMAX技術與設備衝刺的趨勢。目前，韓國電信(KT)已經正式營運與行動式WiMAX相容的WiBro網路；美國第三大電信系統業者SprintNextel也宣布投資30億美元在全美境內布建行動式WiMAX網路，表明行動式WiMAX技術已邁入商用，使得WiMAX的發展進入新的階段。表1為目前固定式WiMAX與行動式WiMAX相關的 IEEE 802.16標準規格細節。
一旦邁向行動式WiMAX，行動式WiMAX系統將不可避免地與現行3G以及無線區域網路(WLAN)等行動無線通訊系統成為比較優劣的對象，不同系統以速度、價格、無處不在、方便性與在地化(Localization)等五項重大指標進行評比的結果顯示於圖1，WiMAX系統為兼具各項指標且均衡發展的系統，最易於與各種無線通訊系統作為互補。此外，WiMAX論壇極力倡導相容性和互通性，協調相關的一致性測試、互通性測試以及相關進階技術的研究討論，並產出通訊協定實現符合性說明(Protocol Implementation Conformance Statement, PICS)與測試序套架構與測試計畫(Test Suite Structure & Test Plan, TSS & TP)相關一致性測試文件，以及互通性測試的黃金模型(Golden Model)，因此使電信系統業者能從多個設備製造商，採購通過WiMAX論壇認證的各項終端或基地台設備，從而減少投資成本；加上WiMAX網路是基於網際網路通訊協定(IP)技術與核心網路介接，WiMAX論壇也積極訂定一致性的網路架構以支援各項行動性功能，使得局端設備只須採購作為基地站控制器的 ASN閘道(Gateway)，即可與現有核心網路設備連通，從而大幅度降低WiMAX網路的總體布建成本。這也是為何WiMAX會成為眾多無線行動寬頻技術中備受矚目的焦點，並成為未來發展4G標準的重要候選技術之一(圖1)。
WiMAX論壇制訂推動標準
都會寬頻無線區域網路通訊技術一開始主要是由IEEE與歐洲電信標準協會(ETSI)兩大組織來進行研究，並訂定相關標準，目前則以WiMAX論壇為推動主力。因此相關規格選定、測試及推廣均由WiMAX論壇來負責。WiMAX論壇的會員除了有英特爾、新力(Sony)、三星(Samsung)、諾基亞 (Nokia)、富士通(Fujitsu)、德州儀器(TI)及亞德諾(ADI)等國際大廠外，還有技術領先廠商如Alvarion、Wavesat以及 PicoChip等，在台灣則有正文、建漢、明泰、合勤、聯發科技、神基、誠信、工研院、中科院及資策會等。目前WiMAX論壇定義規格的重心已經由固定式高速寬頻無線通訊的應用，轉移至行動式高速寬頻無線通訊的應用，將以802.16e-2005標準為主，並積極定義WiMAX論壇網路架構以實現行動性功能。因此本文將以WiMAX論壇目前聚焦的行動式WiMAX網路架構以及802.16e-2005的實體層與媒體存取控制(MAC)層技術為主軸。
行動式WiMAX採用端對端網路架構
一旦進入行動通訊的領域，僅僅定義基地台與用戶端之間單點對多點(Point to Multi-point)的網路拓撲架構，並不能建立完整的行動式WiMAX網路。因此WiMAX論壇在兼具模組化、彈性、擴展性與延伸性，並滿足安全性、行動性、服務品質(QoS)與服務應用等功能的考量下，定義WiMAX端對端的網路系統架構，以網路關聯模組(Network Reference Model, NRM)作為邏輯上的呈現(圖3)。在NRM中定義功能元件(Functional Entities)及關聯點(Reference Points, RP)，功能元件藉由關聯點來達成互動式的溝通。
功能元件包括有用戶端(SS/MS)、存取服務網路(Access Service Network, ASN)及連接服務網路(Connectivity Service Network, CSN)，基準關聯點R1-R5將分別描述各元件間的通訊協定與程序，用戶端可以透過ASN或CSN享受無線寬頻服務或是與另一用戶端進行通訊。CSN大多屬於電信系統業者提供的IP網路，分別與使用者認證伺服器(AAA Server)、網路管理系統(Network Management System, NMS)、Foreign Agent(FA)及Home Agent(HA)等系統介接提供相關功能，內部實體元件不在WiMAX論壇的定義範圍內。
ASN內部則包括有ASN-Gateway以及基地台兩種實體元件。基地台具備完整的802.16標準WiMAX MAC與PHY的能力，透過單點對多點的模式與建構在企業和住家中的用戶端進行通訊，並負責無線資源配置，以及與ASN-Gateway進行通訊和傳收資料的重要任務。ASN-Gateway為多個控制功能所組成，負責監控與命令所屬基地台、ASN內部封包的轉送，以及與CSN和其他ASN之間的連結溝通，也可能具有備用或平衡負載的能力。
ASN內部的關聯點包括有R6與R8，R6規範基地台和ASN-GW間控制及承載資料協定與流程，包括支援GRE通道、無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)及服務品質管理等功能；R8則是規範在基地台之間一連串控制訊息的通訊協定與流程，以確保快速並穩定的用戶端換手程序，實際布建狀況如圖4所示。
比較OFDM和OFDMA實體層
在2005年12月底定的802.16e-2005都會寬頻標準，將802.16-2004版本由原本的固定式增加行動性的標準，使得原本用於取代數位用戶迴路的WiMAX技術能夠適用於行動裝置，也讓這項高傳輸速率技術的應用更為廣泛。
同樣地，802.16e-2005與802.16-2004相同，仍然提供SC、SCa、OFDM以及OFDMA等四種實體層的選擇。不過WiMAX論壇所選擇的主要實體層技術，卻不同於固定式WiMAX所採用的OFDM技術，改採用OFDMA的實體層作為行動式WiMAX的主要方案。
OFDMA與原本OFDM的差別在於多重存取，OFDMA對於多用戶存取的技術做了更佳改進。從技術本身的差異來探討，可發現雖然這兩項技術皆是使用正交的多載波調變方式，但是OFDMA技術開始彈性使用頻域資源。相較於OFDM將頻率上的所有次載波(Subcarrier)由單一用戶端所使用，各用戶端間資源的切換是採用利用時間來分割的TDMA技術，OFDMA則是將所有次載波先分組成數個次通道(Subchannel)，讓每個次通道可以彈性規畫給不同用戶的FDMA技術，然後結合時域和頻域的解析度，定義出最小的資料單位—Slot，來對各用戶的資源需求作更精細的規畫，因此非常適用於寬頻系統，可以更彈性地服務不同頻寬的需求，並減少無線資源的浪費。除此之外，由於OFDMA頻域資源的可切割性，也衍生各種不同的應用和設計。
行動式WiMAX改採OFDMA的實體層技術，因此相關的訊框(Frame)架構也與OFDM訊框架構有所差異，可由圖5的OFDMA的訊框架構範例圖看出整體頻域和時域空間的輪廓。在圖5中，整個訊框一開始是下行(Downlink)的前序訊號(Preamble)，代表每個訊框的開始。這些前序訊號從頻率來看，可以發現全部的次載波被穿插等分為3個部分，每一部分代表一個分割區段(Segment)的前序訊號，於是頻帶就被切割成3個分割區段。
隨後就是下行次訊框，其中第一個區間(Zone)
排列方式規定為PUSC(Partial Usage of Subchannels)，在這段區間所使用的次通道，只包含前序訊號所描述的分割區段，下行資源也都限制在這段分割區段裡面；接著有可能存在其他的區間如圖5中所示的FUSC Zone，這段區間可以使用所有的次通道，所以這時候可以開始配置傳輸資源於所有的子通道，使用所有頻帶資源。
接著經過圖5中所示的TTG之後，是上行的次訊框，在上行資料中所有的區間都是使用PUSC的排列，至於在這段區間中可使用的次通道將會由UCD的MAC Message來通知，然後再根據能夠使用的次通道來依序安排傳輸資源。
在看過訊框架構後，可明顯發現OFDMA在設計上將頻帶資源切成3個分割區段，也就是說同一中心頻率下靠著頻域上的切割，同時存在3個蜂巢(Cell)。在蜂巢式系統下，頻譜重用率(Frequency Reuse Factor)是基地台規畫(Cell Planning)的一項重要指標，除了CDMA系統外，幾乎所有蜂巢式系統的頻譜重用率都大於1，亦即系統供應商必須取得1倍以上的使用頻寬來布建蜂巢式網路，以避免Cell間的干擾(Intercell Interference)。
除此之外，頻譜重用率大於1的系統，在基地台換手(Handover)的操作上，只能執行硬式換手(Hard Handover)，而無法支援較進階的軟式換手(Soft Handover)，以減低基地台換手動作所造成的資料遺失。然而在OFDMA的系統中靠著次通道的分割卻也達成頻譜重用率不大於1的目的，因此有利簡化基地台的規畫及換手功能，OFDMA系統將這種作法稱為部分頻譜重用(Fraction Frequency Reuse)，其重用率定義為三分之一。
再次回顧訊框架構的介紹，OFDMA系統支援不同時間區間(Time Zone)中可用不同的排列(Permuta-tion)，如圖5中PUSC區間還有FUSC區間等。
另外為了支援多天線的進階應用也有適應性天線系統區間以及空時碼(Space Time Coding, STC)區間的使用。在不考慮多天線的問題下，OFDMA將所有的排列分為部分使用(Partial Usage)以及全部使用(Full Usage)兩種，主要是為了提升其通訊容量。如圖6所示系統分割為3個頻率分割區段，因此各Cell間不會互相干擾，但是在Cell核心的部分，因為離其他基地台較遠，因此可以使用全部的頻率來收送資料，而不必擔心其微量的影響。在操作上會先使用PUSC來廣播通用訊息以及服務離基地台較遠的使用者，接著再使用全部的頻率(必須降低功率)來服務近距離的用戶，以提升整體的頻譜使用效率。
進階訊號處理技術提供加值
另外WiMAX論壇為強化行動式WiMAX性能，開始將標準中選擇性功能增列為必要，並且規畫於Wave 2的測試項目，例如AAS、MIMO及混合式自動重傳請求(HARQ)等。因此本文也對標準在這些項目的規畫，做一簡單的整理介紹。
MIMO天線技術提升傳輸品質
在標準中所定義的天線技術大致可分為兩類，首先是採用智慧型天線(Smart Antenna)的AAS，它是利用DoA(Direction of Arrival)的資訊，適應性地調整收訊方位，來增加訊號大小或是抑制干擾強度的天線處理技術。另一種則是目前廣為討論的MIMO技術，處理上可大致分為空間分集(Spatial Diversity)和空間多工(Spatial Multiplexing, SM)兩類。
以往所熟知的空間分集技術皆實作於接收端，並利用選擇(Selecting)或組合(Combining)空間訊號的演算法來達成。不過MIMO系統所使用的分集技術則是空時碼，它是在傳送端利用多天線傳送空時碼，接收端僅需通道的訊息，則可以得最大比率組合(Maximum Ratio Combining, MRC)的最佳分集性能。
而空間多工技術則是通道條件允許下，每一根天線分別傳送不同的資料來達到傳輸速率的倍數提升。例如在N根傳送天線和M根接收天線的條件下，利用雪農通道容量理論(Shannon Capacity Theorem)來推導，可得到最大傳輸速率的提升倍數為min(N,M)，因此只須增加天線的數量，則可以提升相對倍數的傳輸速率，在目前頻寬資源珍貴的情況下是相當受到青睞的應用技術。
然而各項天線處理演算法完全不同，因此所使用的條件也不盡相同，例如AAS大部分是使用在大範圍的蜂巢，傳送通道需要可直視且避免太多的多路徑 (Multipath)現象，但是MIMO的處理，卻是須要利用的多路徑，而且每條路徑的獨立性要高，才能讓MIMO性能表現出來。表2為各項天線的比較表。
HARQ快速反應錯誤並重傳
HARQ也是WiMAX常被要求的必選功能，這項技術是結合MAC和PHY雙層的協調及處理，可由PHY層偵測出該層的接收封包錯誤，再利用MAC協助回報傳送端重傳的機制，是最底層的ARQ處理，能夠快速反應錯誤及重傳。在標準中定義CC(Chase Combining)和IR(Incremental Redundancy)這兩種的重傳機制。
CC是較簡單的HARQ重傳方式，當接收端偵測出封包錯誤並回報後，傳送端將重複傳送該封包，而接收端必須保留先前錯誤的封包並且與重傳的封包結合進行軟決策(Soft Decision)，並持續至正確接收為止。
IR則是結合具有冗餘(Redundancy)同位元(Parity Bit)的編碼方式，然後在首次傳輸封包時，並沒有帶這些冗餘資料。接著如果接收端回報錯誤，則開始傳送這些冗餘資料，封包多了這些冗餘資料將有助於解碼器修正封包，因此傳送端可持續傳送這些冗餘資料，直到解出正確的封包。
以上對於802.16e-2005 OFDMA實體層的說明，提出與OFDM技術的差異以及相關的訊框架構和頻率規畫等，接著也對提升OFDMA性能做介紹，希望能增加讀者對於WiMAX OFDMA實體層的興趣與關注。
MAC加強行動特性
行動式WiMAX MAC仍具固定式WiMAX MAC所擁有的特徵，包括採用需求/答允(Request/Grant)機制；連接導向(Connection Oriented)；支援可適性調變；可調性之上傳與下傳Burst Profile；支援可變位元速率資料流的服務品質，共有非請求的頻寬分配(Unsolicited Grant Service, UGS)、即時輪詢服務(Real-time Polling Service, rtPS)、非即時輪詢服務(Non-real-time Polling Service, nrtPS)和盡力傳送(Best Effort, BE)等四種服務類型；此外，還有安全性支援及自動功率控制。
而為了支援行動性功能，行動式WiMAX MAC尚須加強下列功能：擴展加強安全性功能，包括擴展加強服務品質，新增ertPS(Extended Real-time Polling Service)服務類型；MAC換手機制；網路重新登入(Network Re-entry)機制；省電(Power Saving)機制；支援實體層的OFDMA測距以及進階MIMO技術等功能。
如圖7所示，行動式WiMAX MAC仍然可細分成收斂子層(Service Specific Convergence Sublayer, CS)、通用子層(Common Part Sublayer, CPS)以及安全子層(Security Sublayer)。資料的傳收仍與固定式WiMAX MAC相同，例如從MAC上層傳輸層所進入之資料，首先會進入收斂子層進行資料類型及服務種類尋找對應的動作，接著會進入主要網路協定之通用子層，進行傳送前各項溝通協調及資料分割組合，最後會在安全子層對資料做加密後，交由實體層傳送。接收的過程則是從相反的方向由底層一路向上層還原。
收斂子層支援IP封包
收斂子層定義與上層不同協定傳送訊息的設定，以支援IP封包格式為主。收斂子層須具備4種功能，包括將來自上層協定資料單元(Higher-layer PDU)分類至適當的連結、傳送MAC協定資料單元(CS PDU)至適當的MAC SAP、從MAC SAP接收CS協定資料單元，以及Payload Header Information的壓縮(Suppression)與重建(Rebuilding)等功能，以完成上層應用協定資料單元與下層MAC通訊協定資料單元的銜接。圖8為以下行方向為例之資料單元分類示意圖，收斂子層在支援行動性功能方面並未增加任何重大功能。
通用子層新增服務類型
通用子層為MAC層的核心子層，仍須保有 802.16-2004通用子層相關功能，包括系統存取(System Access)、頻寬請求與配置(Bandwidth Request and Allocation)、連線建立與維護(Connection Establishment and Maintenance)、服務品質建立與管理、封包的切割與組合，以及各式封包格式編解碼等MAC核心功能。
為實現行動式高速寬頻無線通訊，通用子層須新增關鍵的MAC換手機制支援換手，並在正常運作模式之外新增睡眠模式(Sleep Mode)與閒置模式(Idle Mode)，以達到用戶端省電的目的，而一旦進行換手或進入省電的睡眠或閒置模式，通用子層須實作網路重新登入(Network Re-entry)機制，使用戶端能夠快速重新進入網路。
此外，為了使服務品質需求更為精確，新增ertPS服務類型，並為支援OFDMA實體層新增OFDMA測距以及OFDMA排程演算法。
當用戶端行動時，可能由於訊號衰減或是干擾等原因，須要改變連線的基地台，以提供較佳的訊號品質時，則須執行換手。目前服務用戶端的基地台稱為服務基地台，而用戶端欲換手過去的基地台稱為目標基地台。
換手可由用戶端或服務基地台提出。當用戶端尚未有換手的意向之前，須定期地接收廣播鄰近基地台資訊的MOB_NBR-ADV訊息，並尋找空檔執行鄰近基地台掃描蒐集資訊，作為未來進行換手決定的依據，並將所得資訊回報服務基地台。
一旦決定要換手，換手流程包括有重新選擇目標基地台、換手決定與初始化、進行目標基地台下行同步、執行網路重新登入流程，以及原服務基地台刪除該用戶端所有資訊等流程。若用戶端在Resource_Retain_Timer尚未到達之前決定取消換手，則可以回到原服務基地台繼續進行資料傳輸。而基地台也負責向連接後端網路的ASN-Gateway回報，或取得掃描與換手相關資訊。此外，802.16e-2005也提出兩種進階的換手機制：快速基地台切換換手(Fast BS Switching)及屬於軟式換手類型的巨多分集交遞(Macro Diversity Handover, MDHO)。
當用戶端在與基地台進行一或多種資料服務傳輸時，預先與服務基地台進行溝通，找出毋須傳輸資料服務的最大週期區間，進入睡眠模式。用戶端一旦處於睡眠模式則可以關閉無線存取模組，最小化用戶端電力的使用與最有效地使用無線資源。睡眠模式又可分為三種省電層級，第一種型式的睡眠週期區間會逐漸放大，適用於非即時的BE與nrtPS服務類型；第二種型式的睡眠週期區間為定值，適用於即時的UGS、rtPS及ertPS服務類型；第三種型式則為單一的睡眠週期區間，適用於群播服務以及管理連結。
當用戶端已經一段時間沒進行資料傳輸時，用戶端可利用DREG-REQ訊息向基地台請求，或基地台利用DREG-CMD訊息主動要求用戶端進入閒置模式。
閒置模式允許用戶端在沒有註冊於一特定基地台的情況下，可以週期性地接收下行廣播訊息，並在同一傳呼群體(Paging Group)內的複數個基地台順利地來回行動，毋須執行複雜的換手程序。若用戶端進入不屬於原有傳呼群體之基地台的管控範圍內，則須進行位置變更 (Location Update)程序，告知WiMAX網路該用戶端所在位置。若用戶端須要重新進行資料傳輸時，則須執行網路重新登入(Network Re-entry)機制，回到正常運作模式。
由於用戶端只須要在特定的區間啟動進行掃描接收廣播訊息，可以節省電力與運作資源。而對於WiMAX網路與基地台而言，只須要搭配一簡單且適時的方法，叫醒處於閒置模式的用戶端進行運作，即可避免將無線資源以及網路換手資料傳輸，浪費於並沒有活動的用戶端。
OFDMA實體層進行的測距與調整是使用測距碼(Ranging Code)進行，因此用戶端欲進入網路之前，須隨機選取測距碼進行，等到其功率、時間、頻率皆調整完成後，才會被基地台配置專屬區間發送測距訊息(RNG -REQ)，進行網路初始化流程。雖然測距碼是由實體層實作，但通用子層必須支援測距碼集合的相關設定與選取。另外換手、競爭式頻寬請求 (Contention Bandwidth Request)與週期性測距(Periodic Ranging)也必須先使用測距碼進行調整完成後，才能進行相關流程。
由實體層的介紹中，可知OFDMA的訊框架構已經由時間軸一維表示，擴展為時間頻率軸二維表示，更具彈性並有效使用無線資源。而最小單位也由OFDM的符碼(Symbol)改為OFDMA的Slot，因此OFDMA排程演算法，須改以Slot為最小排程單位，並進行二維排程演算法，複雜度遠高於OFDM的一維排程演算法。
安全子層進行把關動作
安全子層與通用子層相同，仍須保有802.16-2004安全子層相關功能，包括身分認證(Authentication)、安全金鑰交換(Secure Key Exchange)以及加解密(Encryption/Decryption)等功能，以確保進行通訊時的安全性。802.16e-2005的規範將上述 IEEE 802.16-2004的安全認證機制命名為PKMv1，並略作補強，另又新增PKMv2。由於802.16e-2005行動式無線寬頻技術主要應用於公眾網路，因此，除原先802.16-2004對裝置的認證與使用者的認證外，亦增加認證的方式，因此也牽涉到後端使用者認證伺服器的運作。
在802.16-2004當中，由於都是基地台認證用戶端，為單向的認證，因此在安全上會出現連上假基地台的問題，故增加互相認證(Mutual Authenication)機制，此外還增加認證方式，在EAP的認證下可有許多種方法，如TLS、TTLS及AKA等，其認證方式WiMAX論壇 1.0版提出建議符合RFC4017的方法，可作為EAP上認證的方法。
由於WiMAX 802.16d金鑰產生沒有客戶端的參與，在802.16e中利用EAP機制，讓客戶端一起參與產生金鑰。由於行動性的問題，在此規範加入認證金鑰轉移(AK-transfer)，處理基地台換手的問題。
由於前述提及資料加解密的重要性，因此在此規範中加入更多資料認證，可以判斷資料是否被竄改。在加解密演算法當中，加入AES-CCM的方式，可讓資料更安全，還可使用Packet Number防止Replay攻擊。表3是802.16e-2005支援的加密方式。
除上所述外，網管功能在此也有加強，認證的政策協商(Policy Negotiation)，因此可以更有彈性選擇認證的方式，由於行動性的問題也增加漫遊的認證方式，以達到安全服務不間斷的目標。由於擷取的方便性越來越容易，使得系統在安全上的考量也越來越顯得重要，安全的處理方式也與日俱進。
行動式WiMAX將邁向4G
WiMAX無線通訊技術的高速寬頻傳輸規格及本身優異的通訊特性，以取代最後一哩技術出發，行動式WiMAX技術提供無線多媒體應用優質的傳輸環境，確實創造未來諸多的想像空間，儼然成為明日高速寬頻無線傳輸技術的最佳代表。
隨著行動式WiMAX技術標準不斷完善及系統功能開發的日趨成熟，加上支援行動性功能的晶片組不斷推出，與第三代行動通訊技術互別苗頭已成為大勢所趨。而行動式WiMAX技術所具有的核心競爭力正是電信技術的發展趨勢，未來行動式WiMAX在第四代行動通訊中的技術應用將有著更為廣闊的前景。