WiMAX与Wi-Fi的比较

新竹交大，牛校啊

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WiMAX与Wi-Fi 的比较 李彦辉 陈世扬 林义能 林盈达 国立交通大学信息科学系 新竹市大学路1001号 TEL：(03)5712121 EXT. 56667 E-mail: andycyrus.cs94g@nctu.edu.tw, sychen@nbl.org.tw, {ynlin, ydlin}@cis.nctu.edu.tw 摘要 802.11 (Wi-Fi)的PHY (physical layer)因传输功率的限制，以及其MAC(Medium Access Control layer)因CSMA/CA的IFS (Interframe Space)的限制，使其不适合在长距离传输的WMAN (Wireless Metropolitan Area Network 无线都会局域网络)环境下使用。比较802.11 和802.16 (WiMAX)在PHY 与MAC 上的差异可发现，PHY主要的差异是在于传输功率以及频带，MAC 的差异则是在802.11用CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，802.16则是TDMA (Time Division Multiple Access)。而802.16 又有分fixed (802.16-2004)与mobile (802.16e)，这两者的差异主要在802.16e 多了和Handover 与节省能源的相关机制。 1. WiMAX与Wi-Fi的简介 WiMAX [1]是Worldwide Interoperability for Microwave Access 的简写，是泛指符合802.16无线通讯标准制作出的WMAN通讯器材。这个名词是由WiMAX forum(一个由许多通讯器材制作公司组成的联盟)提出的。这个组织的主要目的就是为了能让所有不同公司根据IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) 802.16 无线通讯标准制作出的WMAN 通讯器材能有互通性。802.16有针对fixed WMAN (根据802.16-2004)与支持mobile WMAN (根据802.16e)。Wireless Fidelity [2]，简称Wi-Fi，是泛指符合802.11、802.11a、802.11b 和802.11g这几个无线通讯标准制作出的WMAN通讯器材。这个名词则是由Wi-Fialliance(类似WiMAX forum 的组织)提出，这个组织则是为了能让不同公司根据 IEEE 802.11 标准制作出的WLAN (Wireless Local Area Network 无线局域网络)的通讯器材能有互通性。 802.11 [2]与802.16 都是由IEEE 所制定的无线通讯标准。802.11 是针对WLAN 设计的，而802.16 则是针对WMAN 设计的。802.16 与802.11 虽然都是针对无线通讯网路而制定出的标准，但是这两者却也因其所针对的环境，而在标准的设计上有显著的差异。WiMAX的fixed 与mobile两个版本之间因其环境的差异而使得标准上的制定也有所不同。这将是我们这篇文章将会探讨的内容。 2. 为何802.11(Wi-Fi)的PHY与MAC不能直接用在802.16(WiMax)? 早在802.16 问世的时候802.11 就已经是一个已经风行于市场上的无线局域网络通讯标准，那为何换到无线都会局域网络的时候却要重新制定新的标准？为什么不能直接继续使用802.11的标准呢？主要是有以下的原因。 802.11 PHY的power不适用 Wi-Fi 所使用的频带是在无须执照的ISM 频带，此频带虽然任何人都能来使用但为了维持所以使用此频带者的公平性，其传输功率不可太大(见表一)。而影响无线传输的传输距离的一个主要因素就是讯号的功率，所以802.11 标准所制定的传输功率强度本身就限制了802.11 能传输的距离。这是802.11 不适合用在无线都会局域网络的一个主因。 另外，802.11所选用的频带和频宽会限制在一个AP (Access Point)的涵盖范围内能有多少个其它的AP。由于802.11 最多同时可有3 个不同的频道(channel)进行传输，所以在一个AP 的涵盖范围内，最多只能再出现两个AP。这同时也就会对于我们在单位面积内能服务多少个MT (Mobile Terminal)有了限制。就应用方面来说，因为这个限制，所以802.11 并不适用在需要服务多个MT 的公众服务环境。 802.11 MAC的CSMA不适用 CSMA/CA 因为要确定媒介是否有人要使用，必须要等一个IFS (interframe space)的时间。这个时间的长度也就是决定了我们所能容忍的propagation delay的时间长度，而直接决定最长的传输距离。如果要把传输距离拉长，势必要把IFS的时间拉长，但是这就会造成花过多的时间在等IFS 而浪费了本来可以用来传输数据的时间。另一方面来说，CSMA/CA 主要是为了能处理hidden terminal 与exposed terminal 的问题。如果在传输距离比较长的都会局域网络下，所有的station 有效传输距离加长，也就会增加hidden terminal与exposed terminal发生的机会。如果还要使用CSMA/CA来解决这个问题必须要拉长IFS 的时间，就会发生同上段的问题。 3. WiMAX与Wi-Fi的PHY与MAC之差异? 由上述我们可以了解到Wi-Fi 因为802.11 标准上的限制所以不适用在WMAN的环境。接下来，我们更进一步地从PHY、MAC、QoS 等层面探讨Wi-Fi(802.11)和WiMAX (802.16)的差异。 802.16与802.11 PHY的比较 两者PHY的比较如同(表一)所示。从base band来说，802.16与802.11 并没有太大的差距。当我们数字的数据要传输出去时，首先就就要进行modulation，然后再透过channel access的方法将数据透过载波传送出去。802.16和802.11两者modulation的方式都差不多；从channel access来说，802.11是到802.11a/g采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。OFDM 能解决在NLOS(Non-Line of Sight) 的传输因multipath 产生的ISI (Inter Symbol Interference)干扰。802.16 的设计也是因考虑这项因素而采用OFDM。数据的传输是双向的， 有分上传和下载。802.16 是使用TDD (Time Division Duplexing) 或FDD(Frequency Division Duplexing) 让上传跟下载在不同的时间或不同的频带传输来达到双向的沟通，也需要搭配MAC 的协助才能做到这点。802.11的上传还有下载则都是透过MAC的CSMA/CA机制让上传和下载去竞争使用媒介的机会。在802.11n 有提出MIMO-OFDM (Multiple Input and Multiple Output)，利用多个天线，每个天线都运用OFDM 的方式传递部分的信息，再由接收端透过多个天线来接收由发送端各个天线送来的数据。因为从每个传送端的一个天线到接收端的一个天线所走的路径会因multipath 而不见得相同，所以藉由数个不同路径传递的数据，我们可以有数个频宽进行传送。举例来说，假如有两个不同的路径，每个路径各有54 Mbps 的频宽，则两个路径合起来就有108 Mbps 的频宽。然而这需要在multipath 较容易影响的室内环境才容易运作。802.16 并没有使用这种方法增加传送速度，虽然在NLOS 的情况下也会有multipath，但是经过长距离的传输后，要分辨出两个路径的差异并不容易。就应用的角度来说，MIMO很适合在室内的家庭环境，提供像是多媒体等需要高传递速率的服务。当数据经过modulation 再透过载波送出，802.16 比起802.11 有更多种的频宽与频带的选择。如果使用需要执照的10~66GHz，802.16 还可以用更强的传输功率来增加传输距离。只是此频带频率较高，所以只能进行LOS (Line of Sight)的传输。就传输功率来说，802.16 可以使用的传输功率比起802.11 高很多，也因此让802.16有比802.11 更远的传输距离。 802.16与802.11 MAC的比较 两者MAC 的比较如同(表二)所示，可从媒介共享方式、联机、QoS 等方面探讨。 媒介共享方式的比较 802.16是用TDMA (Time Division Multiple Access) 让BS (Base Station) 去排定每个 SS (Subscriber Station) 可以传送数据和听取BS 传送的数据的时间。802.11则是用CSMA/CA让所有的station去竞争传输机会(不过也有无竞争由BS来排定SS 可以传输的时机，在此不额外赘述)。 802.16 虽然主要都是TDMA为主，但是当有新的station 要进入或有station要跟BS 取得更多频宽发送request 的时候，必须要透过上传中一段利用类似Ethernet 的exponential backoff 的机制让每个station 随机决定再传送的时间。如果两个stations 选择相同的时间则会发生碰撞，BS也就无法对发生碰撞的station给予回复。未收到回复，则station就会知道发生碰撞而进行backoff重新选择传送时间。802.11的CSMA/CA需要所有的Station去竞争媒介的使用权，每个station都会在要传的时候先等一个IFS 的时间再加上一个随机长度的CW (Contention Window) 的时间。经过这段时间如果媒介还是没人使用传送端就会发送RTS(Ready to Send) 来告知接收端准备接收数据，同时也让在传输端周遭的stations知道他要进行传送。接收端则会发送CTS (Clear to Send)来告知传送端可以传送数据，同时让周遭的station 知道他要进行接收。 联机的比较 就BS和SS的联机来说，802.16 除了要知道哪些SS 和他建立联机，也必须要考虑到每个SS 和BS 建立的联机所占有的频宽，但802.11 的BS 只纯粹关切有哪些SS和他建立联机。在联机建立后，必须要考虑数据传输的可靠性(reliability)还有安全性(security)。802.16 是使用ARQ (Automatic Repeat Request)，ARQ只要发送针对某个封包发送ACK就表示在这个封包之前所有的封包都被接收到。802.11 则是确保封包传送后有被接收的作法是让接受端发送一个ACK(acknowledge)的封包，来告知传送端有顺利接收到这个封包，没收到ACK 传送端就会认定这个封包没有被送达而重传。但是802.11 发送ACK只是确保封包有被接收端收到并不会去理会这个封包是由哪个联机送出，因而没有联机的观念。而 802.16 使用的ARQ 则会针对各个联机来做。就安全性来说， 802.16 是利用cryptographic suite和PKM (key management protocol)；由cryptographic suite来让BS 与SS 得知要使用的加密与认证的算法，再由PKM 来管理BS 与SS 间共享的encryption key。而802.11最初使用的authentication 和WEP(Wired EquivalentPrivacy)机制其实很弱。所以后来Wi-Fi Alliance 便依照802.11i [5]提出WPA(Wi-Fi Protected Access)和WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2)来加强Wi-Fi 的安全性。Wi-Fi 在采用WAP 与WAP2 之后，其安全性才能和WiMAX匹敌。 QoS相关比较 在进行数据传输的时候也必须要考虑到QoS，来维持一定的传输质量。802.16 是在标准中就有提出对于QoS 的各种标准与要求，是parameterized 的QoS。802.16 另外也有定义4种scheduling的服务分别：UGS (Unsolicited GrantService)、rtPS (real-time Polling Service)、nrtPS (non-real-time Polling Service)、BE(Best Effort)。而要能达到这些服务的需求，则需要QoS 的搭配。而802.16也有 订出让SS 向BS 要求更多频宽的方法与过程，以便达到其所需要的通讯质量。 802.11的QoS则是在802.11e [6]定的，他是在MAC的DCF (distributed coordinate function) 之上增加两个function: EDCA (HCF (Hybrid coordination function)contention-based channel access) 和HCCA (HCF controlled channel access)，分别提供以priority的QoS 与parameterized 的QoS。相对于此，Scheduling跟要求频宽在802.11e是有提到由HCCA实现，只是并没有提出详细的方法。就应用的角度来说，QoS对于多媒体这一类需要有固定传输量的应用需求比较高；对于企业的内部来说，数据的传输大概都是data为主，不需要用到QoS。 其它项目的比较 除了基本BS 与SS 间的unicast，802.11与802.16都还能提供multicast。然而802.11的multicast 比起802.16较不可靠，因为802.11的multicast在BS发送multicast 的封包后所有的接收端都不回传ACK，虽然可以增加传输效率，但却降低数据传输的可靠性。802.16 则是让所有要接收multicast 封包的接收端共享一个CID (connection identifier)，所以所有的接收端只要听到由BS送来的数据是该CID就接收下来，各个SS 也能在之后各自上传的时间回传确认讯息。由于WiMAX是用于距离较长的室外环境，传输媒介的的变化对于传输质量的好坏有很大的影响。故在802.16中有定义Ranging的程序，来调整传输时PHY的各种参数 (ie. Burst profile，包含modulation 方式、使用的bandwidth、等等)。由于好的传输质量就会有比较低的数据传输量，而高数据传输量却常导致较低的传输质量，因此Ranging 主要就是从传输质量与数据传输量取得一个平衡。802.11k也有提出Ranging的功能，来让BS能适应MT位置上的变化造成的影响。 从应用的角度来说，802.11 和802.16 的安全性都不足以让企业采用。乙企业的角度来说，通常会希望能限制所有企业内的人员都使用企业本身的网络系统。在有线的情况下这点很容易达成，但是无线的情况就很难掌控。企业内部的员工有机会可以透过非企业本身AP 连上线，也很有可能让外面的人透过企业内部的AP 连入企业内部的网络系统。 4. WiMAX的fixed(802.16-2004)版本与mobile(802.16e)版本的差异? 802.16-2004 的标准主要是针对定点的客户端，而802.16e [7]则是除了定点的客户端，还能提供服务给具有移动性的客户端。802.16e目前还仍然在制定中，主要是以802.16-2004为基础。与移动性最密切的有两个议题：HO (Handover)与Power。为HO 发生在MT因移动而从原本的BS 涵盖范围进入另一个BS 的涵盖范围时切换的动作。或是MT同时在多个BS的涵盖范围内，由讯号较弱的BS换到讯号较强的BS。Power则是指MT本身的电能的损耗，由于MT能携带的电量有限，进行传输或接收数据的时候都会消耗电能，所以有效的使用MT的电源也是很重要的议题。我们下面就针对这两点来探讨在802.16e上新增的部份。 802.16e 的MAC增设项目 802.16e在MAC 上增加的项目如表三所示。从HO的角度来说，802.16e主要的修改与新增的项目在于其管理讯息。对于Ranging的讯息新增与HO相关的参数。另外也新增了许多在HO 过程中会需要的管理讯息，像是(1)由周遭其它BS 提供给MT有关BS状况的Neighbor advertisement 讯息，(2)由MT主动提出向周遭BS发送scanning interval allocation request 讯息来寻找适合联机的BS 再由BS发送 scanning interval allocation report 回复MT，(3)由BS 发给MT要求其进行HO 的handover request，或是由MT 主动向BS 要求进行HO 而发送的handover request，再由BS 回传MT handover response，以及(4) MT在进行HO前告知BS的Handover indication讯息，等等。这些都是在HO进行时做沟通用的讯息。 从Power 的角度来说，802.16e 针对各种scheduling 服务定义了3 种不同的Sleep mode 以达到省电的目的。这些模式的切换是MT 透过Sleep request 告知BS 它所要采用的省电模式，BS再透过Sleep response响应表示确认。 802.16e 的PHY增设项目 从PHY的角度来说，802.16e在802.16-2004低频率(2~11GHz)的部分增加了mobility的选择性，其增加的项目主要都在OFDMA的部分，如表四所示。在mobile 的环境下，一个MT 可能同时在好几个BS 的涵盖范围内，这些BS 统称为Active BS。其中，只有一个BS是MT透过它来连上网络，也就是所谓的Anchor BS。 在HO来说，因为在处里SHO (soft handover)的时候MT会同时和两个以上的BS做数据上的交换来完成HO的整个流程。因此，在DL-MAP (BS 告知所有MT在下载时所有station共享媒介的方法)和UL-MAP (BS 告知所有MT在上传时所有station 共享媒介的方法)增加表中的各种IE (Information Element)。HOanchor active DL-MAP IE 是在一个Active BS (但不是anchor)的DL-MAP，告知在该区间传递的数据是从Anchor BS 来的。HO active anchor DL MAP IE 是在一个Anchor BS 的DL-MAP，告知在该区间传递的数据是从Active BS (但不是anchor)来的。HO anchor active UL MAP IE 与HO active anchor UL MAP IE 则是反过来表示MT 可以传递数据到Active BS 或anchor BS 的时机。HO CID translation MAP IE 是为了能把Active BS 对MT的CID与Anchor BS 对MT的CID做转换用的，因为不同的BS对同一个MT不会给予相同的CID，所以透过此IE 来做转换。 就Power来说，增加了open loop power control来控制MT上传时的讯号强度。Open loop power control是MT透过DL的讯号强度直接去推算UL应该传递的强度，没有任何由MT回传给BS 的信息。 其它方面来说，802.16e 还有增加告知Multicast 或Broadcast 传递时机的Multicast & Broadcast service MAP IE。DL PUSC allocation in other segment IE 和UL PUSC allocation in other segment IE 则是让MT与其它的非Anchor BS 透过别的Segment (在OFDMA切分众多subcarrier 的单位)进行沟通。 5. 结论 802.11 因为PHY 与MAC 上分别有对于power 的限制CSMA/CA 的IFS 限制因而未被运用在有长距离传输的WMAN环境。我们进一步探讨了802.11 和802.16 两者的差异点，就PHY 来说802.16 的讯号功率比起802.11 强许多，而且能使用的频带也比802.11多；不仅能传的远，也可以提供服务给更多的MT。就MAC 来说，802.11 使用CSMA/CA而802.16则是TDMA；一个以竞争为基础，另一个则是以BS来进行排程。最后，我们也探讨了802.16e为了支持mobility新增处里handover与节省电源的相关项目。 就应用的角度来说，WiMAX 主要会被用在公众服务，而Wi-Fi 主要是被运用在像是家庭这一类室内环境。Wi-Fi 的产品就只能收取卖出硬件后的钱，WiMAX 则是可以额外从提供公众服务有更进一步的获利。不过这两者的安全性都无法被企业所接受，而无法应用在企业的内部环境。而WiMAX 与Wi-Fi 唯一会有互补的情况就是以fixed WiMAX 作为last mile，Wi-Fi 运用在LAN的部份。 参考文献 [1] WiMAX Forum, http://www.wimaxforum.org/home. [2] Wi-Fi Planet, http://www.wi-fiplanet.com/. [3] ANSI/IEEE Std 802.11, “Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,” 1999 Edition (R2003). [4] IEEE Standard, “802.16-2004 Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems,” Oct 2004. [5] IEEE Standard, “802.11i Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements,” 2004. [6] IEEE Standard, “802.11e Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment: Medium Access Control (MAC) Quality of Service (QoS) Enhancements,” Jan 2005. [7] IEEE Standard, “Draft IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands,” Feb 2005.

嗯，传说比清华排名高 觉得这篇综述写得不错，就转过来了 【 在 Nyquist (奈奎斯特) 的大作中提到: 】 : 新竹交大，牛校啊

怎么转成简体的？软件？ 【 在 Nyquist (奈奎斯特) 的大作中提到: 】 : WiMAX与Wi-Fi 的比较 : 李彦辉 陈世扬 林义能 林盈达 : 国立交通大学信息科学系 : ...................

不忍心打击斑竹了～hoho word里就可以转啊

挺好的 真是辛苦了 又学习了不少知识 ^_^ 【 在 Nyquist 的大作中提到: 】 : WiMAX与Wi-Fi 的比较 : : 李彦辉 陈世扬 林义能 林盈达 : ...................