近年來，行動上網使用者的數量快速攀升，使得市場對高速行動頻寬存取系統的需求隨之上揚。在各種高速行動寬頻存取技術中，全球微波存取互通介面(WiMAX)是一項前景看好的技術。WiMAX可進一步細分成IEEE 802.16-2004與IEEE 802.16e-2005兩種標準，前者是固定式的無線存取技術，後者則是在前者的基礎上進行改良，加入許多功能與特性來支援行動使用模式。
除了國際電子電機工程師協會(IEEE)所制定的媒體存取控制(MAC)協定與實體層(PHY Layer)規範外，WiMAX相關業者還籌組了WiMAX論壇(WiMAX Forum)，以維護各種裝置之間的互通性，並制定出許多稱為系統設定(System Profile)的規範，規定系統使用的頻段、實體層參數及媒體存取控制層的參數。目前市面上已有許多商業化的產品，像是行動裝置(MS)的基頻系統單晶片(SoC)、射頻模組及行動WiMAX的基地台(BS)。
本文歸納行動WiMAX規格的實體層功能、WiMAX系統組態、系統的各種可能應用以及行動WiMAX SoC解決方案所面臨的挑戰。
適應性調變/編碼/智慧天線攜手強化WiMAX行動性
行動WiMAX採用一種可擴充的正交分頻多重存取(OFDMA)技術。圖1顯示固定式WiMAX與行動WiMAX的比較。在固定式WiMAX標準中，高速傅立葉轉換(FFT)固定為2,048點。若訊號頻寬改變，次載波的頻率間隔也會改變。這意謂若系統的服務頻寬從20MHz改為行動環境的10MHz，都卜勒效應產生的結果也會改變，因為兩種不同頻寬的都卜勒效應不同，若要讓系統達到相同效能，亦須根據頻寬來改變頻道預測功能，但此舉會增加電路設計的複雜度。
 |
| 圖1 固定式WiMAX與行動WiMAX之間的比較 |
行動WiMAX採用的可擴充OFDMA技術能避免這種情況。可擴充的能力是透過調整FFT參數，並將次載波的間隔固定為10.94kHz。由於次載波的間隔固定不變，因此系統在使用不同頻寬時，都卜勒效應產生的影響都是一致的。這種方法可讓一種特定頻道預測方法能套用到各種不同環境。
為強化各種行動應用的的覆蓋範圍與容量，行動WiMAX在系統中採用一種適應性調變與編碼技術(AMC)。行動WiMAX支援正交相位位移鍵控(QPSK)、下行鏈路採用16與64正交振幅調變(16QAM/64QAM)、上行鏈路支援QPSK與16QAM。此外，系統支援迴旋編碼(CC)與渦輪迴旋碼(CTC)，搭配可調式編碼率及重複編碼等機制。AMC可使用上述調變機制與編碼機制的不同組合，藉以達到高速數據傳輸，如表1所示。
表1 在使用部分次頻道時，行動WiMAX實體層的資料傳輸率
為提升系統效能，行動WiMAX採用各種智慧型天線技術，其中包括波束成型、時空碼(STC)及空間多工(SM)。在波束成型方面，系統採用多個天線來傳送高權重(Weighted)的訊號，藉以提高系統的覆蓋率與容量。這讓基地台能從MS收到回饋訊號，基地台也能藉此為每個訊息計算出適合的權重。
時空碼是一種發射分送(Transmit Diversity)技術，這種機制採用兩個傳輸天線及一個接收天線。時空碼在系統中提供空間多元化的效益，且這種技巧能縮小衰減界限(Fading Margin)。空間多功可提供較高的尖峰傳輸率，並提高鏈路的資料吞吐量。透過空間多工，系統可從多個天線同時傳送多個數據流。若採用兩個傳送天線以及兩個接收天線，相較於以往最佳狀態，資料傳輸率可提高至兩倍。
行動WiMAX引領全IP化網路風潮
為了以更低的網路成本提供行動寬頻服務，電信業者除了導入新一代無線接取技術外，有線網路也必須全面革新。圖2顯示新一代封包型網路之組態，所有無線接取技術如3G、3.5G、長程演進計畫(LTE)及無線區域網路(Wi-Fi)和WiMAX系統均連結至全面採用網際網路通訊協定(IP)的網路。
 |
| 圖2 新一代封包型網路組態 |
WiMAX擁有許多彈性化的功能，能支援各式各樣的服務。為有效支援這些功能，全IP的核心網路須具備充裕彈性來處理這些功能。因此核心網路須滿足以下要求：
|
|
| |
新一代核心網路必須持續提供足夠的頻寬，以滿足服務的要求。 |
擴充性與行動固網匯流支援
新的核心網路必須具備更好的擴充性，以支援各種新型態的服務，特別是目前在電信業界，行動固網匯流(FMC)的趨勢已如火如荼地進行中，新一代核心網路更應具備極佳的服務擴充性。
QoS與網路強固性
在全面IP化的網路環境中，網路服務品質(QoS)、安全及強固性方面的問題是最引起關注的話題，因為傳統的交換電路(Circuit Switch)網路通常在語音品質與強固性上較有優勢，IP網路必須盡可能提升其QoS與強固性，才能擔當起核心網路的重任。
自主管理與自我組織的能力
由於新應用、新服務層出不窮，新一代網路必須比以往具備更多自主管理(Self Management)與自我組織(Self Organization)的功能，以提升網路維運的效率。
行動WiMAX潛在應用可期
行動WiMAX以低廉成本，在行動環境中提供高資料傳輸率服務。圖3顯示一些行動WiMAX的服務模式。
 |
| 圖3 行動WiMAX服務模式剖析 |
整體來說，現有行動WiMAX的應用服務模式可分成固定式、熱區式(Hot Zone)及雙模式三種。在固定式的應用中，行動WiMAX被當成固定地點的寬頻服務，如取代數位用戶迴路(DSL)的存取服務。在這種應用情境中，行動WiMAX和固定式WiMAX有可能重疊，但許多電信業者比較願意採用行動WiMAX而非固定式WiMAX，因為固定式WiMAX系統目前並非很受歡迎，且系統成本相對較高。
熱區式的應用則可進一步分成三種類型：資料、多元媒體及語音。以資料為主的用途方面，當使用筆記型個人電腦或個人數位助理(PDA)時，行動WiMAX用來維持高資料傳輸率。這類服務幾乎和目前3G系統高速封包存取(HSPA)服務一樣。但行動WiMAX能以相對較低成本，提供更高資料傳輸率。
在多元媒體的使用方面，有兩種主要應用：透過WiMAX傳輸衛星與有線電視(CATV)廣播的影音內容，以及對使用者的個人媒體裝置傳送資料。這類應用非常適合採用行動WiMAX，因為這類應用對數據傳輸率的要求非常高。
在以語音為主的用途方面，網際網路語音協定(VoIP)技術可套用在行動WiMAX系統上。雖然2G/3G手機通訊系統原本就已擁有一些語音通訊功能，但WiMAX本身並沒有語音功能。因此若想要傳遞各種語音應用，這方面功能是不可或缺的。
第三種模式是結合手機系統和熱區式接取的雙模應用。這種應用結合了行動WiMAX及2G/3G等手機系統。但這種應用須採用雙模手機，再加上雙模網路，其昂貴成本可能會造成發展瓶頸。
除了上述三種模式外，還有一種新型行動通訊服務的發展構思，是利用如圖4所示的行動WiMAX。
 |
| 圖4 新式行動通訊服務 |
這種應用構想中，使用者透過一部行動WiMAX終端裝置，和住家內的家用伺服器之間，相互傳送與接收個人的高解析度相片。在目前的情況下，想拍攝高解析度的影像，很容易就會耗用完數位相機或數位攝影機的記憶體容量。遇到這種情況，除非使用者手動刪除一些資料，否則就無法再拍攝影像。
但若是在個人錄影裝置中添加無線資料傳輸功能，則相機或攝影機的記憶體容量就不會構成任何問題。此外，這種服務還能播放之前錄製的個人影片。透過行動WiMAX網路，不論身處何地，我們都能觀看以前錄製並儲存在家庭伺服器內的個人影片。
利用類似的架構，服務供應商日後也可發展出具備時間平移、位置平移功能的電視播放服務，以及隨選式影片出租服務、隨選式即時視訊新聞服務。這些都是能讓WiMAX徹底發揮其應用潛力的重要應用。
功耗/體積為行動WiMAX SoC開發挑戰
為了在市場推動行動WiMAX服務，晶片供應商必須克服行動WiMAX解決方案開發的挑戰。圖5為富士通(Fujitsu)目前WiMAX SoC的產品發展藍圖。從此一藍圖中可看出，為行動WiMAX的終端裝置開發基頻SoC與射頻晶片元件，最大的技術挑戰在於如何讓晶片具備小體積與低功耗的特性。
 |
| 圖5 2007～2009年富士通WiMAX SoC的研發藍圖 |
從終端應用裝置的型態變化，亦可看出WiMAX應用市場的發展趨勢。2007年時，WiMAX的基頻SoC以支援各種筆記型電腦為主，具體的產品型態為PCMCIA介面卡及通用序列匯流排(USB)的WiMAX模組。
在這類應用中，基頻SoC必須具備CardBus與USB介面，且為了讓產品能快速上市，晶片供應商須投入資源開發各種參考設計套件，讓用戶能輕易開發行動WiMAX產品，並將產品快速推向市場。
值得注意的是，當時WiMAX還在市場導入的初期階段，因此晶片供應商必須進行許多互通性測試(IOT)，像是WiMAX論壇Plugfest相容性測試及與主要網路設備間的IOT，以確保基頻SoC能在WiMAX Forum的1.5.0 版本Mobile WiMAX系統設定中運作。
隨著WiMAX技術在2008年開始走向更多可攜式應用裝置，第二代WiMAX基頻SoC的設計與製程也出現變革。在2008年時，晶片多半已從90奈米製程轉向更先進的65奈米互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程，來達到高效能與低功耗的目標。
除了基頻SoC本身外，由於在可攜式裝置中，射頻與電源管理的系統整合設計比前一代更為關鍵，因此富士通也投入研發自有的射頻LSI與電源管理模組(PMM)，以建構出一個完整的解決方案，讓用戶能開發PDA產品或手機形態的WiMAX產品。
至於第三代行動WiMAX解決方案，則是將目標放在真正的WiMAX手機市場，因此晶片開發商必須將產品開發目標放在解決行動WiMAX與無線區域網路、藍牙(Bluetooth)及各種手機系統共存的議題上。
為了達成上述目標，在射頻子系統方面，整個射頻模組的尺寸必須比前一代更為精巧。例如目前市場上已有可在15mm×15mm的尺寸中整合包括射頻IC、天線開關、電源管理器、濾波器、振盪器電路的解決方案，且還可支援多重輸入多重輸出(MIMO)，因此可提供高速且可靠的無線連結，這對行動WiMAX裝置是極重要的功能。此外，射頻模組的設計驗證也是不容輕忽的重點，必須確保射頻模組能和既有的WiMAX基頻晶片相容，才能讓用戶快速導入更精巧的解決方案。
從以往WiMAX應用的變遷歷史亦可看出，WiMAX應用客戶的創意源源不斷，將推動晶片業者快馬加鞭推出更多新解決方案。
行動WiMAX多元應用趨勢確立
在為使用者提供各種高速資料存取服務方面，行動WiMAX是目前一種相當被看好的系統。在本文中，筆者歸納了行動WiMAX的各項功能，以及一個新一代核心網路的原生網路組態，並介紹行動WiMAX的各種可行服務。
為了讓終端裝置製造商能推出符合市場需求的產品，行動WiMAX SoC解決方案的開發，必須解決尺寸與功耗兩大挑戰。目前市面上已有一些極具競爭力的基頻SoC晶片及一個射頻模組出現。這些解決方案讓用戶能開發各種體積更小與功耗更低的行動WiMAX產品。在產業鏈上下游緊密合作下，WiMAX的應用前景，勢必將朝向更多元化的方向發展。
(本文作者任職於富士通微電子)