1、移動式 WiMAX天線設計Mobile WiMAX 特點一覽移動式（Mobile）WiMAX 具備以下特點：高資料傳送速度頻道頻寬 時，最大資料傳送速度為 ，如果與運用智慧型天線（Smart Antenna）技術製作的MIMO（Multi Input Multi Output），或是錯誤控制技術的自動重傳要求（ HAPQ，Hybrid Atomatic Repeat reQuest）等附屬功能組合，還可以實現高速資料傳送目的。QoS 保證表 1 是移動式 WiMAX 的 QoS 分類一覽。如表所示共有五種 QoS 等級，它能夠對 DiffServ 碼點（code point），與多協議標籤交換
2、（MLPS：Protocol Label Switching ）的訊流標記（Flow Label）進行測繪（mapping ）。系統擴充性可以針對各國頻率與地理條件，透過頻寬的運作從 1.25MHz 一直到 20.25MHz 高自由度設計系統。安全性可以支援 IEEE802.1x 規定的延伸認證協議（ EAP，Extension Authentication Protocol，以及利用高級加密標準/計數器模式（AES-CCM 方式：Advanced Encryption Standard Counter Cipher Mode，以下簡稱為 AES-CCM 的符號化與控制信號的保護。移動性提供不
3、會使 VOIP 等即時服務（real time service）品質劣化的無縫隙（ Seamless）移交（handover）功能。此外有關 WiMAX 的使用方案（Scenario ），如圖 1 所示，根據終端的利用時移動狀況預設三種方案。原則上終端不會移動。利用室內或是戶外天線收訊的使用終端，可以利用有線或是無線區域網路接收服務。移動存取（Nomadic Access）指終端移動，通訊時呈靜止狀的使用方案，非常接近目前 WLAN 提供的熱點服務（hot spot service）使用方案。移動存取（Mobile Access）指終端邊移動邊進行通訊的使用方案，移動 WiMAX 支援最大時速
4、 120Km 的移動。 表 1 移動式 WiMAX 的 QoS 分類一覽WIMAX 標準化動向IEEE 802.16 作業小組規定無線都會區域網路（MAN，Metropoitan Area Network）的寬頻無線存取技術標準，有關該技術標準，WiMAX Forum 為了使相異品牌的產品能夠相互通訊，因此針對 IEEE 802.16 技術標準製作的產品進行相互應用測試與認證。目前 IEEE 802.16 技術標準為了能夠廣泛應用在固定使用或是移動使用領域，因此具備許多附屬參數（option parameter），主要考量是各供應商自由選擇該附屬參數封裝時，機器的相互通訊可能會很困難，因此 W
5、iMAX Forum 規定如何從附屬參數（包含 IEEE 802.16 技術標準在內），選擇適合各自的利用環境附屬共通規格（profile）。此外它還針對依照共通規格製作的機器，進行相互連接測試與機器認定作業。圖 2 是寬頻移動無線存取系統委員會發佈的報告，顯示 IEEE 802.16 作業小組與 WiMAX Forum 的關係。IEEE 802.16e-2005 規定物理層（PHY ）與中間存取控制層（MAC）有關無線部份的標準規格，最近WiMAX Forum 還開始檢討上位層的網路管理，針對網路層等 Layer 3 以上制定標準規格。移動式 WiMAX 關鍵技術OFDMA 技術移動式 Wi
6、MAX 屬於地表波數位播放規格，它是以 ISDBT 與 WLAN 規格，亦即 IEEE802.11a/g 也採用的 OFDM 為平台（base），使用多元連接方式的正交分頻多工傳輸存取（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）當作調變方式。OFDMA 是將頻寬複數分割，再利用複數載波並聯傳送資料的複數載波方式。OFDMA 系統將輸入信號分割成複數直行副載波傳送，藉此降低多重通行（multi pass）歪斜的影響。此外它還加入循環字首（Cyclic Prefix）的冗長信號，迴避符號之間的符號干涉。通常在 OFDM，一位使用者可以使
7、用所有副載波（sub carrier）進行通訊，不過 OFDMA 卻可以將副載波分成複數個次頻道（sub channel），因此複數個使用者可以同時進行通訊。OFDMA 的副載波如圖 3 所示，它是由三種副載波構成，分別是：資料副載波：傳送資料用。嚮導副載波（pilot sub carrier）：確定符號同步、補正信號強度用。無效副載波（Null sub carrier）：防護副載波（guard sub carrier）與 DC 副載波用，它不會傳送資料。由於 OFDMA 能夠以次頻道為單位分配使用者，因此低干涉噪訊的副載波優先分配給使用者，進而增加系統整體的通訊容量，即使鄰近 Cell 也可
8、以使用相同頻率，頻率效率比 OFDM 大幅改善，智慧型天線技術所謂智慧型天線（smart antenna ）技術是指透過複數天線，將送、收訊信號作向量（Vektor）或是行列演算，藉此提高系統的資料傳送能力。雖然移動式 WiMAX 的合型天線技術是附屬功能，不過利用該技術可望改善收訊功能，大幅提升資料傳送速度。智慧型天線技術包含以下技術，分別是：波束成形（Beam forming ）控制各天線的輸出振幅與位相使它重疊，藉此控制天線的指向性，提高覆蓋面（Coverage）的面積與天線的容量，類似這樣利用收訊信號控制指向性的特徵（pattern）稱為AAS（Adaptive Antenna Sys
9、tem）。時空間符號利用空間變化（Diversity ）效應降低衰減界限（fading margin）。基本形為 2X1（送訊端 2 個天線，收訊端 1 個天線）的 MISO（Multiple Input Single Output），不過移動式 WiMAX 可以視 MIMO 的一種，因此稱為 MIMO 矩陣（Matrix）A。多重空間送、收訊都利用複數天線，接著透過資料分割至複數天線送訊，提高資料的傳送速度，一般稱為 MIMO 不過移動式 WiMAX 為了與時空間符號作區隔，因此稱為 MIMO 矩陣（Matrix）B 。2X2 的 MIMO 將資料分割成兩個送訊，理論上資料的傳送速度相對提高
10、 2 倍。混合自動重傳要求（ARQ，Automatic Repeat-reQuest）混合自動重傳要求（ARQ）是指可以提高資料傳送靠性的錯誤控制方法而言，錯誤控制方法會對送訊端要求再送被檢測的錯誤訊框（error frame），將冗長資料附加至自動再送要求與送訊資料，收訊端更正錯誤前方修正錯誤。混合 ARQ 透過自動再送要求與前方修正錯誤的組合，可以降低錯誤檢測時的再送次數，提供穩定資料的傳送速度。混合 ARQ 採用 3.5G 技術，亦即高速下行封包存取（HSDPA，High-Speed Downlink Packet Access）也使用的錯誤控制方式。根據 KDDI 公司進行的移動式實證
11、測試顯示，隨著混合 ARQ 功能發揮，它可以使資料的轉送速度上行提高 20%，下行提高 50%，系統整體提高 30%。日本曾經在 200042005 年透過無線寬頻推進研究會，進行寬頻無線存取（BWA，Broadband Wireless Access）系統檢討，該研究會最後將 BWA 定義成：目前的 3G 行動電話系統不易支援上行/下行的寬頻利用，BWA 為進行大眾用寬頻資料通訊服務的無線系統 ，圖 4 是 BWA 系統的特徵與應用藍圖。根據上述研究報告，2006 年 3 月成立寬頻移動無線存取系統委員會，開始檢討構成 2.5GHz BWA 系統的技術條件，2006 年 12 月委員會將包含
12、移動式 WiMAX 在內的 MBTDD-Wideband、MBTDD625k-MC、次世代 PHS 等四項技術當作 BWA 技術，確認它是必需滿足的要求條件，同時還針對各系統的特徵與干涉條件作成報告書。移動式 WiMAX 天線設計移動裝置內嵌的 WiMAX 天線必需具備下列特性：1. 輕巧、薄形化2. 天線本身擁有接地（ground）結構3. 無放射指向性基於上述理由，採用膜片狀天線（film type antenna）結構較為合理，這種結構是由厚 0.10.2mm 銅板與厚的聚蔥亞胺膜片（Polyimide flim ）碾壓（laminating ）製成；為滿足上述三條件， WiMAX 用天
13、線被設計成具備三個放射元件狀。圖 5 是 WiMAX 天線的基本結構，為了使天線具備 2GHz 以上頻域特性，因此天線具有三個獨立的共振點，分別是二個 Open stub 與一個 short stub。有復歸損失（return loss ）的閥值以下的頻寬，必需透過設計條件使賦予的範圍能夠變成最大值，接著再利用傳輸線路理論計算各線路的長度，其結果如圖 6 所示。第一個 Open Stub 距離供電點大約 16mm，第二個 Open Stub 距離供電點大約 13mm，第三個 short Stub 則形成迴路（loop）結構，迴路的長度大約 45mm，天線整體的外形尺寸為 。圖 7 是復歸損失的
14、計算結果，由圖可知復歸損失低於 的頻域大約是 2.86.6GHz，證實本天線可以含蓋 3.8GHz 的頻域。圖 8 是 3.32GHz、4.86GHz 、5.97GHz 三共振點的電界分佈模擬分析結果，由圖可知第一個與第二個 Open Stub 在低頻端與中央頻率發生共振，第三個 short Stub 則在高頻端發生共振。根據以上檢討結果試作的膜片狀天線，具體結構天線導體使用銅板，該銅板的兩面再用聚蔥亞胺膜片（Polyimide flim）碾壓（laminating），天線總厚度低於 0.3mm，供電使用直徑 1.1mm 的同軸纜線。圖 10 是計算值與試作天線的復歸損失比較結果，由圖可知試作
15、天線的低頻端與中央頻率的共振頻率幾乎與計算結果一致，高頻端的共振頻率只有 300MHz，而且朝低頻端方向移動，根據模擬分析結果顯示共振頻率的反射已經有效被抑制。上述計算值與試作結果略有差異，主要原因是兩者的供電方式不同所造成，根據以上結果證實，此天線可以實現 3GHz 以上寬頻域特色。圖 11 是試作的寬頻天線在 3GHz 與 5GHz 時的放射特性（pattern）測試結果，如圖所示，垂直與水平偏波成份分別以藍色與紅色表示，在 3GHz 與 5GHz 時都呈無指向性放射圖案，而且完全無零點（Null）現象。移動裝置用天線要求的無指向性放射特性，是指任何角度、位置都能夠維持通訊，它對無線通訊非
16、常重要。根據上述放射圖案利用下式計算各頻率的平均等化。平均等化 -（1） ： 垂直偏波的等化真值： 水平偏波的等化真值： 方位（azimuth）角度（0,1,2,-,359）： 量測 step 數（=360 ）圖 12 是上述天線的平均等化特性量測結果，根據量測結果顯示，本天線在 2.56.0GHz 頻域範圍內，具有非常平坦的等化特性，而且能夠獲得 odBi（包含纜線損失在內）的高等化值，使用頻寬範圍內平坦的等化特性對移動式 WiMAX 非常重要。圖 13 是本天線的群延遲測試架構圖，如圖所示，天線對向設置在電波暗室內，彼此的距離依序從 40cm、60cm 、80cm 變化。圖 14 是群延遲
17、的測試結果，根據測試結果顯示本天線的群延遲特性，在 26GHz 頻域內能夠維持一定值，它的分佈不均值低於 1.2nsec。通訊業者普遍認為 2007 年開始，WiMAX（IEEE 802.16e-2005）支援的頻率可望普及化，為擴大天線的適用頻寬，研究人員將設置天線的周邊環境一併列入考慮，重新計算各放射元件的長度進行天線最佳化設計，再將該天線設置在標準的模擬框架內，進行天線特性的量測。圖 15 天線設置在塑膠材質模擬框體時的外觀，圖 16 是天線設置在模擬框體時的狀態，模擬 LCD 為金屬材質，模擬框體 LCD 端黏貼銅薄片，模擬遮蔽電磁波的金屬膜片，電磁波傳輸用穿透窗口則是在天線周圍切割 孔穴。圖 17 是天線設置在塑膠模擬框體時的歸復損失（return loss）測試結果，如圖所示模擬實用環境的最佳化天線，歸返損失低於 時可以含蓋 2.27GHz 的頻率範圍，該特性幾乎網羅所有無線通訊的頻率範圍。圖 18 是上述天線的平均等化結果，如圖所示它可以獲得 （包含纜線損失）的高等化特性，符合實際要求目標。
