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預設 Wimax, WiFi, PHS

「過譽」解構、「技術」還原
WiMAX其實不比WiFi、PHS強!

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(郭長祐/DigiTimes.com) 2006/01/02

 ■前言:

這個題目最近頗熱,筆者也不是第一個撰述者。不過,在看了這麼多篇相關專文後,總感覺還可以有更完全的說明。所以筆者在此野人獻曝,再次以此題材為主軸,期望能更仔細與深層地對應瞭解WiMAX與WiFi。同時,筆者再將覆蓋率相近的PHS與之比較,最後也對WiMAX的佈建、營運推展進行部分推敲。



▲WiMAX初期的定位為低人口密度區的無線寬頻,之後也訴求為人口密集區的覆蓋補強、無縫通訊接合的角色。圖為WiMAX的各項優勢特點列舉,及各特點所能帶來的舒緩、解決、突破效益。(圖片來源:WiMAXForum.org)



■WiMAX將會取代WiFi?

 答案是不會,至少不會完全消滅取代,各位可以將WiMAX視為一種無線化的ADSL,是負責家庭到Internet這一段的連接,而家庭內若有印表機要分享、連網頻寬要分享等,還是要透過WiFi,因為這是各用戶自己的區域分享運用,與戶外、公眾的WiMAX無關,處於戶外的WiMAX基地台不負責為每戶家庭的自有無線分享工作進行傳輸,這就是WiFi必然持續的主要理由。

 在什麼情況下WiMAX會擠壓WiFi?筆者推斷有兩種情況,一種是居家只有一個裝置需要無線上網(多是個人的筆記型電腦),過去是用WiFi來無線上網,但在NLOS WiMAX的穿透性傳輸所允許的覆蓋範圍內,其實也可用WiMAX取代WiFi。

 另一種是公眾戶外的HotSpot,如果是廣大的戶外區域(例如:八里左岸、世貿戶外),需求範圍達數百公尺,如此需要佈建數個WiFi基地台才能完整覆蓋,但用WiMAX則可以用更少的基地台佈建而獲得相同的效果。大致在這兩種情況下WiMAX可以取代WiFi。



▲Aperto Networks的WiMAX產品系列:PacketMAX,包括模組化的WiMAX基地台系統(PacketMAX 5000型,圖左)、用戶端的WiMAX數據機(PacketMAX 200/300型),及WiMAX方位性天線(圖右)等。(圖片來源:ApertoNet.com)



■WiMAX傳輸比WiFi快?

 這正是受行銷煙霧所影響,認為WiMAX傳輸速度強過WiFi,其實不然,至少是不盡然。在正式說明前,請各位看如下的比較:(表1)



▲表1:WiFi、WiMAX最大傳輸比較表。



 從表1來看,WiMAX確實超越WiFi,在同樣是20MHz的頻段資源內,WiMAX的傳速高過WiFi。但是,筆者有幾點要補充:

 1.WiMAX與WiFi採行技術相近,都是用OFDM調變,及讓每個可用來傳輸的子載波(Sub-Carrier)都使用64-QAM 3/4調變,以此來成就最高速率,WiMAX並沒有使用更多的革新技術。

 2.IEEE 802.11a的WiFi在1999年就已經定案,WiMAX則是在2002年Intel的IDF盛會上揭露,已有三年的時間可以就相同技術再進行精進,且正式定案也至2004年。11a要到2001年才有正式產品,同樣的WiMAX截至筆者落筆前(2005年11月),也幾乎看不到正式量產產品。

 3.IEEE 802.11g不能列入比較,因為它有相容IEEE 802.11b的考量,以致它的表現稍差,每個通道為22MHz,並且有3MHz的保護頻段,如此情況才達至54Mbps。

 4.事實證明不需要拓增通道頻寬(如:Channel Bonding,通道綑綁技術)、不需要增加天線數目(如:MIMO)也有辦法再提升傳輸率,例如Broadcom的AfterBurner(後燃器)技術即可提升至125Mbps,因此,WiMAX確實可以在相同頻寬內比WiFi更為精進。也因此,WiMAX標榜在28MHz頻段時可達134Mbps的傳輸率也就不足為奇。

 5.關於70Mbps這個數據,Intel在揭露時也早已言明:這是最佳的理想表現,需要相關環境與條件的配合才能達到,務實而言約在45Mbps左右。



▲除了模組化基地台(大陸稱為:基站)系統外,Aperto Networks也有較小型的可疊式WiMAX基地台系統:PacketMAX 3000型。(圖片來源:ApertoNet.com)



■WiMAX傳輸覆蓋比WiFi廣遠?

 這一點也同樣難讓人認同、信服,因為這涉及無線電波的收發功率問題,電波功率愈強,在傳輸過程中較能抵抗能量衰竭,其收發距離自然能夠提升。然而,功率的強弱並不是WiMAX自己就能決定,而是要依循各國的電信法規而定。

 先以WiFi而言,IEEE 802.11b、11g使用2.4GHz頻段,雖然2.4GHz是全球適用的ISM頻段,但各國對ISM頻段一樣可以有不同的細部要求,在美國WiFi有11個通道可以選擇,但在歐洲可以有13個,日本更是14個,各國並不一致,同樣地功率也不盡相同,甚至戶內戶外還有個別的要求,有的允許200mW,有的僅允許50mW。

 也為了求取最大的共通適用性,WiFi多半被壓制在100mW以下(例如5GHz左右的頻段,歐洲允許200mW,日本只允許160mW),傳輸距離也多半在80m~100m之內。即便是在戶外WiFi功率也多在1W之內,至多允許4W(輻射式發送)。

 不過,傳輸距離也與調變相有些關連,IEEE 802.11b使用較簡易的CCK調變,搭配200mW的收發功率時最遠可至1200m的距離,而愈複雜的調變波形就愈難遠距傳遞,理由是波形信號更難忠實送抵、清晰辨識。然而在此我們暫時不把調變方式列入考慮,一律以相同的OFDM、64-QAM 3/4來設想。

 至於WiMAX所宣稱的48km~50km(30~31miles;英哩),也同樣是最顛峰的表現,需要搭配的環境與條件,包括基地台高度、天線增益等,而且是非穿透性傳輸才有如此絕佳表現,然而在實地的驗證測試中,大致只有5km~8km(3~5miles)。

 再來看功率,Airspan Networks的WiMAX產品系列:AS.MAX,在其HiperMAX、MacroMAX基地台上,每個方位天線最高可至250W,MicroMAX也至25W,用戶端的WiMAX無線數據機方面EasyST為6W~8W(室內NLOS)、ProST為10W(戶外NLOS)、PrimeMAX為75W(也可充當小型WiMAX基地台之用),明顯都比WiFi的0.1W~1W高,且是倍數之差。

 此外,方位性天線上有60/90/120/180/360(omni,全向)等多種角度的型款可選,若情況最糟,每60度角使用一具天線,則原本的250W便要乘以6,達1,500W之高,1,500W對1W~4W,更是數百、上千倍的差距。

 再者,ISM都有細規要遵守,更何況是10GHz~66GHz的WiMAX?頻段與功率更需要遷就各國的差異,能否允許使用達100kW的功率尚不得而知,若必須壓抑在限定功率之下,WiMAX的傳距、覆蓋率自然要減低,相對代價就是要佈建更多的基地台才能達到相同的覆蓋目標。

 所以,WiMAX只是較勇於「超功,Over Power」,類似一種超頻(Over Clock)行為,以提升功率的方式加大通信覆蓋面積(看來以後人們會更反對WiMAX的基地台架設,WiMAX無論就頻率還是功率能量都比GSM、PHS、WiFi高)。



▲Nokia的全功能性基地台方案:UltraSite,可同時支援GSM、EDGE、3G(WCDMA)等多種無線行動通訊服務,圖左為基地台的系統機櫃,圖右為基地台的收發天線。(圖片來源:Europe.Nokia.com)



■WiMAX技術層次高過WiFi?

 WiMAX雖然某些方面優異於WiFi,但兩者在主體技術的層次上差異不大,如前所述,WiMAX並也沒有使用何種明顯超越性的技術。

 嚴格來說,WiMAX的部分領先及超越,是因應其應用場合(公用型營運)的特性而不得不為,例如QoS方面,WiMAX作為多戶家庭的公眾存取媒介,自然比獨戶自用的WiFi更需要具備QoS,因此,WiMAX採行與ATM(Asynchronous Transfer Mode)相同的QoS設計以符合其營運上的需求,相對的WiFi的QoS仍未完全到位,僅先以IEEE 802.11e的技術草案中,較確定與必行的部分訂立成WMM(WiFi Multi-Media),更完整的QoS仍需要等待。

 此外,WiMAX與WiFi的安全認證與加密傳輸等機制也相近,對稱編密演算上WiFi使用AES(WPA、WPA2),WiMAX則是支援AES外也支援3DES(Triple DES),認證方式也差異不多,WiFi為EAP/PEAP(Extensible Authentication Protocol),WiMAX為PKM-EAP。雖不同,但並不表示絕對超越與領先WiFi。

 另外,各位會發現WiMAX很多方面都允許比WiFi更具彈性,例如在雙向傳輸上允許H-FDD、FDD、TDD等,在加密上可選擇AES或3DES,為何有較高的選擇彈性?這也是為了盡可能因應與適用於全球各地的法規、營運差異,尤其WiMAX使用的不是ISM頻段,各地差異性也就更大(IEEE 802.11a就已是如此,歐洲5.15GHz開始,日本卻是4.9GHz起跳)。加上WiMAX被賦予無縫接軌的角色任務,未來很可能要內連WiFi、外連3G,形成全程平順的跨網漫遊,介於WiFi、3G之間的WiMAX自然必須要有更多的彈性擔待。



▲Nokia的3G(WCDMA)基地台方案:MetroSite,圖為架設於電線竿上的MetroSite系統及天線。(圖片來源:Europe.Nokia.com)



■WiMAX技術層次低於PHS

 筆者在2004年11月的「無線都會網路新貴 WiMAX標準介紹」一文中就已經說過,WiMAX對每種既有的無線標準都有程度不等的威脅,然而最先被威脅且受威脅最大的必是PHS(Personal Handy-phone System),原因是WiMAX基地台與PHS基地台的覆蓋率相近,都屬都會覆蓋層級的無線通信,且最後能給予消費者的服務(語音、上網)也無過多差異。

 在日本,電信營運業者已開始降低(甚至完全停止)PHS基地台與營運設備的後續投資,並轉而佈建WiMAX系統,國內的PHS電信服務營運業者:大眾電信,也在經濟部工業局的補助下(2005年11月11日),嘗試建立WiMAX與PSH共通互容的系統及服務。

 不過,筆者認為純就技術層次而言,WiMAX其實不如PHS,雖然兩者的覆蓋率相近,但運用的技術卻大不相同。

 PHS運用上智慧型天線(Smart Antenna)技術、運用上探距調適(Beam Forming)技術、運用上空間區分式多方存取(Space Division Multiple Access;SDMA)技術,尤其是SDMA技術也兼具定位效果,只要一個PHS基地台就能實現定位,雖然精準度有限(約100m),但已經能提供一些方位性應用,例如相近區域的交友、幼兒或老人的行蹤瞭解等(防遭綁架或失憶走失),這些功能服務在台灣也都已經開通,未來只要相同技術持續精進提升或搭配相關的微調修正技術,其定位精準度就能更高。

 相對的,若想用GSM基地台進行定位,則欲定位的裝置必須處在三個GSM所共同覆蓋的區域,並透過三個基地台的比對演算才能求出方位,而WiMAX也不採行SDMA技術,也必須用類似技術才能實現基地台定位,然而未來愈來愈講究方位性服務(Location-Based Services;LBS)的情況下,很明顯的:三基地台定位的重疊覆蓋、比對推算方式較為不利。雖然PHS覆蓋範圍較小(與低功率訴求有所關連),且SDMA的方位測定屬較複雜的推算,但技術本質與實現作法的優劣也已經相當明顯。

 當然!低功率也是PHS的一個強調,不過從筆者之前的說明即可知道:WiMAX相當不在意功率問題,甚至在訴求的優勢上極度需要高功率為其後盾,這對健康考量而言也是個疑慮。此外,PHS可支援時速100km以下的行車中通訊(實際使用情形似乎不太理想),但WiMAX的行動規格制訂(Mobile WiMAX,IEEE 802.16e)已延誤近半年,眼前底定的只有Fixed WiMAX(IEEE 802.16d),WiMAX以WiFi相近基礎要延伸支援行動通信,看來有許多的難題需要克服,WiFi及其技術本就不是為行動通信而設計,加上設定的規格目標頗高(時速120km也能保持通訊),看來WiMAX要行動化必須有許多的犧牲與折衷,這從過往的一些IEEE 802.16e測試數據即可證明。

 雖然PHS技術層次高過WiMAX,然而形勢比人強,PHS過於封閉自用、保守的推展,使其生態氣勢遠低於WiMAX,如今Nokia重新支持WiMAX,以及Motorola的表態加入,使PHS更是難有存續機會。

附註:IEEE 802.16d標準中,於基地台的延伸型態(Extended Profile)中允許使用智慧型天線系統。

附註:部分業者的WiMAX基地台有預留軟體升級空間,以便日後支援IEEE 802.16e(Mobile WiMAX)。



▲PHS基地台可以作到「單基站定位」,不需要用多(三)個基地台進行比對推算,即可對服務端進行定位,且在室內亦有效用(GPS適用於戶外),圖為大眾電信的PHS手機:Sanyo J-88在定位追蹤功能方面的開關設定畫面。



■結尾

 最後,換個方式說:WiMAX是以WiFi相近的技術及基礎,轉變成戶外公眾使用的無線寬頻網路,並為此種運用及營運方向而進行部分特性調整,例如更增進的頻段資源利用率、加高功率以增加覆蓋傳距、同時服務多個家庭用戶的QoS管理、針對不同地區及營運需求差異的調設彈性等,如此而已。

 然而筆者必須承認,這似乎是一個不錯的「藍海策略」,從Intel的角度看,原有WiFi領域的晶片業者,在技術、供應、關係等各方面都有相當高的實力與先佔優勢,加上WiFi產品的價格、利潤日趨低薄,及Intel不易「掌握」後續WiFi標準的走向,在相同規範的公平競爭下很難有更多的表現,因此將相同概念進行挪用,期望在WiFi與3G間找出一個新價值領域,或許是個可行之路。

 當然!筆者過去也說過,介於WiFi與3G之間實是一種危險,兩者的任何消長都先影響到WiMAX的後續發展,而聚合、接軌角色看來有其價值,但也有可能讓WiMAX的發展失焦,讓過去Intel最擅長的偏執式技術躍進難以施展:到底要以持續提升WiMAX的傳速與傳距為優先?還是更多的通適、整合彈性為優先?

 更重要的是,WiMAX的首要價值定位為:在實體佈線的投資報酬比、經濟規模未成熟前,能以WiMAX作為先期服務,以此增進寬頻的普及度。此立意雖佳,但進一步想:佈建WiMAX基地台後,兩、三年後該地區的實線牽佈規模成熟,另一家業者直接牽佈實線,並壓低服務費率殺價競爭,如此不單是WiMAX的通信品質無法與實線較量,此時原WiMAX服務的營運業者可能連基地台及相關硬體投資的成本都還沒回收,就要回到傳統實線服務的戰役,且價格恐難與完全無WiMAX包袱的業者拼鬥。

 除非WiMAX基地台及相關硬體設備能夠相當相當低廉,讓營運業者的投資極快回收,營運業者賠本的風險低,採行WiMAX的意願才會提升,然而在WiMAX晶片的供應源僅數家的情況下,價格恐怕不易立即低廉,也因此Intel積極與國內通信裝置的製造業者合作,希望能儘速用低價讓WiMAX運用獲得普及,目前設定「WiMAX基地台(Base Station)+WiMAX數據機(Customer Premises Equipment;CPE)」各一的價格為2萬美元,現約11.7萬美元(單指WiMAX基地台)。

 雖然如此,但筆者仍認為未來的能見度還是有限、依舊有其風險,倘若某一業者提出與WiMAX相同訴求的技術方案,且使用更先進的無線技術,加上願意比Intel、Fujitsu低價供應,那麼WiMAX將立即受到威脅,在速度與價格上受到質疑,這並非不可能,xG公司所提出的xMax技術就躍躍欲試中,且宣稱超省電、超省頻段資源(使用900MHz頻段,傳速可達3.7Mbps,傳距18英哩,使用全向天線收發,且用電僅50mW,或者每瓦用電、每MHz頻段可傳輸7.4Mbps),這對營運業者而言具有相當大的吸引力,而用電偏偏又是WiMAX眼前最忽略的一點。

 總之,本文的目標在於讓各位更加清楚WiMAX的技術面,但也在結尾部分做了一些營運與發展上的推估討論,希望能讓關切且積極吸收WiMAX相關知識、資訊的各位能有些許的參考性。

■相關閱讀:

 CNET台灣:WiMAX的真實面貌(http://taiwan.cnet.com/enterprise/te...0557,00.htm)

 台灣電信產業發展協會:WiMAX基地台有容身之處嗎?(http://www.ttida.org.tw/%E8%AB%96%E5...F%BC%9F.htm)
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