Wimax, WiFi, PHS

[1paper]

「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）