WiMAX与Wi-Fi的比较
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WiMAX与Wi-Fi的比较
李彦辉 陈世扬 林义能 林盈达
国立交通大学资讯科学系
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 无线都会区
域网路)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主要的差异是在於传输功率以及频带,MAC的差异则是在802.11
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)与支援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-Fi
alliance(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 无线区域网路)
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於市场上的无线区域
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网路通讯标准,那为何换到无线都会区域网路的时候却要重新制定新的标准 为
什麼不能直接继续使用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
无线都会区域网路的一个主因.
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
围内能有多少个其他的AP.由於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
就会对於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
资料的时间.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区域网路下,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.当我们数位的资料要传输出去时,首先就就要进行modulation,
然后再透过channel access的方法将资料透过载波传送出去.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
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(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.资料的传输是双向的,
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的方式传递部分的资讯,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资料.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
径传递的资料,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.
当资料经过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.
Wi-Fi (802.11) WiMAX (802.16)
BB (base band)
Modulation
.11/.11b: BPSK, QPSK
.11a/g: BPSK, QPSK,
16-QAM, 64-QAM
BPSK, QPSK, 16-QAM,
64-QAM, 256-QAM
Channel access
.11/.11b: DSSS
.11a/g: OFDM
LOS: SC
NLOS: SCa, OFDM,
OFDMA
.16e: OFDMA
Duplexing Done by MAC
TDD or FDD with support of
MAC
Space utilization .11n: MIMO-OFDM N/A
RF (radio frequency)
Channel bandwidth 20 or 22 MHz
LOS: 25 or 28 MHz
NLOS: 1.25~28 MHz
Frequency band
.11/b/g: 2.4GHz (83MHz
wide)
.11a: 5.2GHz (260MHz wide)
LOS: 10~66 GHz
NLOS: 2~11 GHz
License-exempt: 5~6 GHz
16e: 2~11 GHz
Power
.11/11b/g: 100mW
.11a: 1W
63.5dbm (2238.72W) ~
64dbm (2511.89W)
Ideal PHY's
Max. distance 90m 9.6KM
Max. bitrate 54 Mbps 75Mbps
Max. velocity of MT 30 km/hr .16e: 70 km/hr
表一: 802.11与802.16的PHY的比较.
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802.16与802.11 MAC的比较
两者MAC的比较如同(表二)所示,可从媒介共用方式,连线,QoS等方面
探讨.
媒介共用方式的比较
802.16是用TDMA (Time Division Multiple Access) 让BS (Base Station) 去排
定每个 SS (Subscriber Station) 可以传送资料和听取BS传送的资料的时间.
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
给予回覆.未收到回覆,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资料,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
资料,同时让周遭的station知道他要进行接收.
连线的比较
就BS和SS的连线来说,802.16除了要知道哪些SS和他建立连线,也必须
要考虑到每个SS和BS建立的连线所占有的频宽,但802.11的BS只纯粹关切
有哪些SS和他建立连线.在连线建立后,必须要考虑资料传输的可靠性(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连线送出,因而没有连线的观念.
而 802.16使用的ARQ则会针对各个连线来做.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演算法,再由PKM来管理BS与SS间共用
的encryption key.而802.11最初使用的authentication 和WEP(Wired Equivalent
Privacy)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
在进行资料传输的时候也必须要考虑到QoS,来维持一定的传输品质.
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802.16是在标准中就有提出对於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 Grant
Service),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品质.
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.相对於此,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对於多媒体这一类需要有固定传输量的应用需求比较高;对於企业
的内部来说,资料的传输大概都是data为主,不需要用到QoS.
其他项目的比较
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
降低资料传输的可靠性.802.16则是让所有要接收multicast封包的接收端共用
一个CID (connection identifier),所以所有的接收端只要听到由BS送来的资料是
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.
由於WiMAX是用於距离较长的室外环境,传输媒介的的变化对於传输品质
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).
由於好的传输品质就会有比较低的资料传输量,而高资料传输量却常导致较低的
传输品质,因此Ranging主要就是从传输品质与资料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.
Wi-Fi(802.11) WiMAX(802.16)
CSMA/CA TDMA
Medium Access
Method Contention & polling
Polling (contention during initial
ranging and request)
Contention resolution By CSMA/CA and RTS/CTS Binary exponential backoff
Connection Pure connection of AP with MT
Connection of BS & SS, and
bandwidth allocation
Reliable delivery By ACK By ARQ
Security
11: authentication and WEP
11i: WAP & WAP2
By cryptographic suite & PKM
QoS
Provided by .11e using HCCA
& EDCA
Defined spec and types of service
flows
Scheduling Defined in HCCA of .11e 4 service type: UGS, rtPS, nrtPS, BE
Bandwidth allocation Defined in HCCA of .11e Defined request/grant flow
Multicast (receiver) designated by the sending SS using the same CID
Ranging Supported by .11k Specified procedure
表二: 802.11与802.16的MAC的比较.
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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路系
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连入企业内部的网路系统.
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用户端,而802.16e [7]则是除了定点
的用户端,还能提供服务给具有移动性的用户端.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,由於MT能携带的电量有限,进行传输或接收资
料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於其管理讯息.对於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)由周遭其他
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讯息来寻找适合连线的BS再
由BS发送 scanning interval allocation report回覆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回应表示确认.
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类别 细项
Modification of MAC
manage messages
Ranging request/response message with
addition parameter for HO
Handover
Additional MAC
manage messages
Neighbor advertisement,
Scanning interval allocation request/report,
BS handover request,
MT handover request/response,
Handover indication messages.
Additional MAC
management messages
Sleep request/response,
Power mode change request/response message.
Power
Power saving
Sleep mode for mobility-supporting MT,
MT idle mode (optional)
Additional MAC
management messages
BS broadcast paging
Scheduling Extended rtPS
Multicast and broadcast Single and multiple BS
Others
QoS Global service flows
表三: 802.16e的MAC增设项目.
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透过它来连上网路,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做资料上的交换来完成HO的整个流程.因此,在DL-MAP (BS告知所有
MT在下载时所有station共用媒介的方法)和UL-MAP (BS告知所有MT在上传
时所有station共用媒介的方法)增加表中的各种IE (Information Element).HO
anchor active DL-MAP IE是在一个Active BS (但不是anchor)的DL-MAP,告知
在该区间传递的资料是从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资料是从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可以传递资料到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的资讯.
其他方面来说,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与其他的非Anchor BS透过别
的Segment (在OFDMA切分众多subcarrier的单位)进行沟通.
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类别 细项
DL-MAP
HO anchor active DL MAP IE,
HO active anchor DL MAP IE,
HO CID translation MAP IE Handover
UL-MAP
HO anchor active UL MAP IE,
HO active anchor UL MAP IE
Power Power control Open loop power control
DL-MAP
Multicast & Broadcast service MAP IE,
DL PUSC allocation in other segment IE Others
UL-MAP UL PUSC allocation in other segment IE
表四: 802.16e的PHY增设项目.
5. 结论
802.11因为PHY与MAC上分别有对於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为了支援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
收取卖出硬体后的钱,
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.
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