# WiMAX
## WiMAX簡介

Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)是一無線通訊技術，可以提供長距離、寬頻的數據傳輸。

WiMAX 是從 IEEE 誕生的標準。在 1999 年，IEEE 組成了一個工作小組，準備制定 802.16 標準的相關細節。當時它被稱為 WirelessMAN，而 WiMAX 這個名字是由 WiMAX 論壇在 2001 年提出的。
在提出 802.16 時，IEEE 希望可以用它來提供都會區中的無線上網系統。也就是說，802.16 希望能具備中長距離、多人連線、高頻寬等性質。
2001 年的時候，WiMAX 論壇成立，並開始推廣用 802.16 來當作下一代的行動網路。後來，在 2005 年，Intel 跟 Nokia 決定採用 WiMAX,同時吸引不少廠商參與研發。
台灣與韓國都曾經參與 WiMAX 的研發與商用計畫。台灣在 2007 年發出 6 張執照給電信公司，讓他們用 2.3GHz 頻段提供服務。韓國則是在 2006 年於首爾提供 WiBro 服務。

雖然 WiMAX 已經乏人問津，但它曾經是 4G 的有力競爭者之一。在 2010 年附近，WiMAX 曾經與 LTE 不相上下，共同競爭在 4G 市場中的一席之地。不過，因為 LTE 在相容性與架設成本都比 WiMAX 有競爭力，WiMAX 逐漸落於下風。Intel 在 2010 年就裁撤 WiMAX 的研發總部，台灣也在 2014 年收回 WiMAX 的執照。

實際上，802.16 在 2017 年有推出一個更新，但它比較偏重在 IoT 領域的應用，已經與提供都會區網路的功能不盡相同。

### WiMAX 的技術

WiMax 應用了很多當時最新的技術，曾經在 2005～2009 年左右，以 25Mbps 的速度，成為通訊速度的領頭羊。WiMax 成功，也使得它使用的技術被大家看到。後來的 4G 網路（LTE）也就效法它使用了 MIMO 跟 OFDMA。

#### Multiple Access

一開始大家是用 Circuit Based 的傳輸方式進行通訊，有線電話就是其中一個例子。在電話接通時，該電話線（頻道）會完全歸一個使用者所有。如果其他使用者想要通訊的話，就需要用其他條電話線（不同頻道）。作為行動網路，同樣會遇到這個問題。每個使用者會對特定資源有完整的控制權，而且不互相干涉。因此，也發展出各種解決 Multiple Access 的方案。這些技術的演進過程是：FDMA -> TDMA -> CDMA -> OFDMA。
##### FDMA
FDMA 是以頻率這個維度來分辨不同的頻道。每個使用者會佔有一個頻率的範圍，而整個通訊系統的頻段會被切成數個小頻道。
##### TDMA
後來，大家發現裝置不太需要持續性的連線。舉例來說，在講電話的過程中，數十 Kbps 的資訊就已經可以讓我們清晰的判斷語音。假如線路的頻寬超過 1Mbps 的話，為了節省成本，應該要能讓十個人同時使用。
TDMA 的全名是 Time-Division Multiple Access, 顧名思義就是以時間來分辨資訊。我們可以將每筆資料切成數個封包，並且限制同時只能有一個封包傳輸。每個使用者會週期性的被分配到一些封包傳輸權，再交給額外的演算法來確保公平性。
##### CDMA
CDMA 拓展出一個新的可以利用的維度，編碼。它透過不同的編碼來傳訊息，並用一個叫做「Walsh Transform」的轉換來分辨出不同的資訊。舉例來說，在很多人同時講話的時候，我們其實還是可以分辨得出不同人的聲音，並從中擷取自己需要的資訊。GPS 就是使用 CDMA 的其中一個例子。
不過，在傳輸環境有很多反射面（例如都市中的大樓）時，同一份資訊可能會在不同時間抵達，並干擾到使用其他編碼的資訊。這個現象叫做「Multipath」，對 CDMA 來說是一大挑戰。
##### OFDMA
OFDMA 與 FDMA 比較接近。不過，它能允許多個頻道有頻率重疊的部份。只要限制這些傳輸資料的電磁波互相正交，就可以用「離散傅立葉轉換」來分辨資訊。不過，組內沒有任何與傅立葉轉換有關的背景，所以沒辦法好好理解「電磁波正交」的物理意義。

因為 OFDMA 需要比較寬的頻率範圍，這個又要得力於另一個 LTE、WiMax 所應用的技術 -- MIMO。

#### MIMO (Multi-Input Multi-Output)

這裡的 Input 與 Output，是指傳輸所用的天線數量。假如在傳輸過程中用到多條天線的話，就可以把它們組成陣列。有天線陣的話，可以更好的控制天線的指向性、強度，而且訊號不容易衰弱。MIMO 可以在不增加頻寬的情況下，增加頻道的使用效率。因此 MIMO-OFDM 的復合技術就成為了絕配，也是 WiMax 當初強勢登場的一大利器。

#### QoS
WiMAX 為了維護某些服務的訊號品質，有特別對特殊封包加上註記。舉例來說，有些服務需要極低的延遲，但是對頻寬要求不高；有些服務需要高頻寬，但是不在意延遲等。在基地台決定工作排程時，會特別依據服務內容做出差別待遇。

## WiMAX與其他技術之比較

WiMAX 在設計過程中，目標是成為下一代的行動網路標準。因此，它同時需要兼顧長距離、高頻寬的特性。不過，因為它的理論速度不低，當時被認為可以取代 ADSL + Wi-Fi，成為家用網路配置的首選。
下圖是各通訊協定的速度與移動性示意圖。WiMAX 的傳輸距離雖然不及 2G 與 3G，但仍然在可接受的範圍，速度也遠高於過去的行動網路。況且傳輸距離不足的問題，可以靠廣設基地台解決，所以是非常具有競爭力的通訊協定：
（https://zh.wikipedia.org/wiki/WiMAX）

### Wi-Fi

技術上來說，不管是使用的頻段、驗證機制等，WiMAX 其實都跟 Wi-Fi 非常相似。

#### 使用者的身份驗證
WiMAX 雖然是要作為行動網路，但他跟 Wi-Fi 一樣需要進行身份驗證。Wi-Fi 有很多種驗證機制，像是平常連家裡熱點，需要打密碼的那種，或是像 NTU-PEAP 那樣的彈性化驗證模式。WiMAX 用的驗證機制也是 EAP 家族的產物。

不過，EAP 在「換手」的時候會消耗不少時間。假如有一台手機，原先連到某臺基地台，後來需要移到收訊範圍之外的地方，就需要另外找一個基地台。在這個過程中，手機需要重新驗證身份，會與基地台做很多密碼學上的溝通，導致手機的會有一瞬間斷線。
所以 IEEE 提出了一些解法：
1. 由使用者向基地台提出換手的需求，基地台透過內部的有線網路，幫忙詢問附近的基地台。在基地台間預先交換資訊後，就可以減少重新驗證的步驟。
2. 允許使用者同時跟多個基地台建立連線。假如與其中一個基地台斷線，可以馬上與其他基地台無縫接軌。

#### 速度跟傳輸範圍的比較

| | Wi-Fi(IEEE 802.11b)| WiMAX(IEEE 802.16) |
| -------- | -------- | -------- |
| 距離 | 100m | 70km |
|傳輸|802.11b 的時候只有11Mbps|每基地台約70 Mbps|

WiFi 在設計的時候，就是為了提供短距離、裝置少的連線情境，也就是區域網路 (LAN)。他只想要維持連線品質，然後保持夠長的距離就好。可是 WiMAX 需要支援一整個都市的無線網路需求，也就是廣域網路 (MAN)。除了連線品質要夠好，還要處理長距離、高頻寬帶來的問題。

雖然在表格中 WiMAX 無論是速度或距離都遠勝 Wi-Fi，但它依然有自己的短板。WiMAX 的基地台需要比 Wi-Fi 更多能源，而且在室內等訊號不好的地方，也會需要 Wi-Fi 的支援。Wi-Fi 後來也推出了更新的標準，可以支援更快的速度與更低的延遲。目前的 Wi-Fi 速度已經可以用 100Mbps 以上穩定傳輸，而 802.11n 也有 600Mbps 的理論速度。在需要同時兼顧距離的限制下，WiMAX 應該很難達到這麼快的速度。

### LTE（目前常用的 4G 協定）

雖然 LTE 已經把 WiMAX 擠下神壇，但它有很大部份的技術借鑒自 WiMAX。之前提到的 OFDMA、MIMO 等，LTE 也都有採用。

#### SC-FDMA
LTE 比 WiMAX 多了一個 SC-FDMA 技術。SC-FDMA 衍生自 OFDMA，在從裝置向基地台傳輸時，會額外進行編碼。如此一來，傳輸到基地台的資料量會比直接傳輸還少，降低行動裝置的耗電量。

#### 跟 WiMAX 發展的差異
但讓 LTE 勝利的最重要關鍵，其實是它的發展過程。WiMax 雖然發展的比 LTE 早，但因為 LTE 是從舊有的行動網路技術發展過來，跟原本已經廣為部署的 2G/3G 網路比較相容。除了可以直接擴充原先的基地台之外，在訊號不好時也能直接銜接 2G/3G 網路。如果要建設 WiMAX 網路的話，需要重新架設所有基地台，而且對 2G/3G 完全沒有相容。因此，LTE 比 WiMAX 的轉換成本低非常多。這也讓最後電信商們紛紛拋棄 WiMAX、擁抱 LTE。

#### 4G 之爭
根據國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）提出的 4G 標準。當時的 WiMAX 跟 LTE 都沒有達到 4G 的門檻（靜態資料傳輸速率達到1Gbps，且在高速行動狀態下可以達到100Mbps）。後來 ITU 修改了標準，讓 WiMAX 與 LTE 一同被 4G 標準所接受。後來推出的「WiMAX Release 2」與「LTE-Advanced」（後來也被稱為 4G+）也確實符合了過去訂下的 1G/100M 標準。
不管是 WiMAX 2 或是 LTE+，都是對於舊標準的硬體與架構優化，沒有提出像 OFDMA 一樣劃時代的技術。兩者也都可以與自己的原版標準相容。

## WiMAX跟台灣的糾葛

台灣從 2006 年就非常的支持 WiMAX。在 WiMAX 的全盛時期，世界上總共有 6 間 WiMAX 論壇認證的實驗室，其中兩間就設在台灣。當時，台灣的 WiMAX 建設也受到 Intel 的大力支持，Intel 也承諾會投注 150 億台幣的資金在這上面。

由於 LTE 可以向下兼容 3G，基地台不需要拆掉重蓋，因此電信商普遍沒有支持 WiMAX。三大電信公司中，也只有遠傳成功得標 WiMAX 許可。

當時最大力推廣 WiMAX 的電信商，應該非全球一動莫屬。當時他們推出的 4G 吃到飽方案是 600 元左右，其他電信公司的 3G 吃到飽是 800 元以上。WiMAX 的速度也比 3G 有競爭力。在台北都會區可以穩定的測到 2M 以上，訊號較好的地方能有 4M 以上的表現。

可是，當時大部分的手機，都只有搭載 3G、 WiFi、藍芽等常用晶片，很少有生產 WiMAX 手機。因此，全球一動推出了稱為「大力玩」的 WiFi 分享機。它同時搭載了 WiMAX 晶片跟 WiFi 晶片，可以作為一台 Wi-Fi 基地台，並將資料以 WiMAX 向上轉傳。全球也同時推出了一些 WiMAX 網卡，使用方法就與 4G 或 Wi-Fi 網卡一樣，可以直接插在電腦上使用。

除了用 WiFi 分享器之外，也有手機公司生產內建 WiMax 的產品。HTC 在台灣推出了 Evo Design，當時也有跟 WiMAX 電信公司合作。不過這隻手機的銷量與 WiMAX 的知名度一樣，十分慘淡。

電信公司也積極的與都會區居民簽約架設基地台，增加覆蓋率跟服務品質。WiMAX 基地台比 4G 小很多，而且發熱量也比較低，可以直接裝在屋頂。當時加入的房東不少，光是全球一動就架設了 600 多個基地台。不過，訊號範圍主要聚集在台北市，其他區域的收訊較差。

Intel 在 2010 年宣佈撤出 WiMAX 市場，當時承諾的 150 億資金中，總計只有投入 3.6 億。電信公司架設基地台的速度不如預期，而且速度遠遠不及理論值。在 LTE 逐漸崛起的同時，NCC 於 2014 年撤銷最後一張 WiMAX 牌照。擁有 WiMAX 使用權的電信公司有些已經倒閉，有些在一番努力之後勉強生存下來。全球一動則選擇走上訴訟一路，最後一次判決在 2017 年出現，但後續的賠償事宜則沒有記載。

雖然 WiMAX 已經行將就木，但它所使用的眾多技術，都已經被其他通訊協定認可，在其他領域上發光發熱。

## 參考資料

https://chinese.engadget.com/chinese-2010-07-01-intel-shutdown-wimax-lab.html
https://www.2cm.com.tw/2cm/zh-tw/tech/C1D894C4335545169BA919DB4535778D
https://www.csie.ntu.edu.tw/~b6506031/ExpReport/intro_1.html
https://www.intel.com/content/www/us/en/support/articles/000006999/wireless/legacy-intel-wireless-products.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiple_access
https://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX
https://www.asus.com/tw/support/FAQ/1042759/
https://kopu.chat/4g/
https://zh.m.wikipedia.org/zh-hant/%E6%AD%A3%E4%BA%A4%E9%A0%BB%E5%88%86%E5%A4%9A%E5%9D%80
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/IEEE_802.11
http://wshnt.kuas.edu.tw/network/n1/MIMO%20OFDM.htm
https://www.bnext.com.tw/article/15821/BN-ARTICLE-15821
https://en.wikipedia.org/wiki/WiBro
https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.16
https://today.line.me/tw/v2/article/o7yOXw
https://www.rfwireless-world.com/Terminology/wimax-QoS.html
https://news.ltn.com.tw/news/politics/breakingnews/1686197
https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-wimax-and-lte/
https://www.techtarget.com/searchnetworking/answer/Differences-between-WLANs-Wi-Fi-and-WiMax
https://www.wimaxtaipei.tw/