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1、移動(dòng)式WiMAX天線設(shè)計(jì) Mobile WiMAX特點(diǎn)一覽 移動(dòng)式（Mobile）WiMAX具備以下特點(diǎn)： 高資料傳送速度 頻道頻寬 時(shí)，最大資料傳送速度為 ，如果與運(yùn)用智慧型天線（Smart Antenna）技術(shù)製作的MIMO（Multi Input Multi Output），或是錯(cuò)誤控制技術(shù)的自動(dòng)重傳要求（HAPQ，Hybrid Atomatic Repeat reQuest）等附屬功能組合，還可以實(shí)現(xiàn)高速資料傳送目的。 QoS保證 表1是移動(dòng)式WiMAX的QoS分類一覽。如表所示共有五種QoS等級(jí)，它能夠?qū)iffServ碼點(diǎn)（code point），與多協(xié)議標(biāo)籤交

2、換（MLPS：Protocol Label Switching）的訊流標(biāo)記（Flow Label）進(jìn)行測(cè)繪（mapping）。 系統(tǒng)擴(kuò)充性 可以針對(duì)各國(guó)頻率與地理?xiàng)l件，透過頻寬的運(yùn)作從1.25MHz一直到20.25MHz高自由度設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 安全性 可以支援IEEE802.1x規(guī)定的延伸認(rèn)證協(xié)議（EAP，Extension Authentication Protocol，以及利用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)/計(jì)數(shù)器模式（AES-CCM方式：Advanced Encryption Standard－Counter Cipher Mode，以下簡(jiǎn)稱為AES-CCM的符號(hào)化與控制信號(hào)的保護(hù)。 移

3、動(dòng)性 提供不會(huì)使VOIP等即時(shí)服務(wù)（real time service）品質(zhì)劣化的無縫隙（Seamless）移交（handover）功能。此外有關(guān)WiMAX的使用方案（Scenario），如圖1所示，根據(jù)終端的利用時(shí)移動(dòng)狀況預(yù)設(shè)三種方案。原則上終端不會(huì)移動(dòng)。利用室內(nèi)或是戶外天線收訊的使用終端，可以利用有線或是無線區(qū)域網(wǎng)路接收服務(wù)。 移動(dòng)存?。∟omadic Access） 指終端移動(dòng)，通訊時(shí)呈靜止?fàn)畹氖褂梅桨?，非常接近目前WLAN提供的熱點(diǎn)服務(wù)（hot spot service）使用方案。 移動(dòng)存?。∕obile Access） 指終端邊移動(dòng)邊進(jìn)行通訊的使用方案，移動(dòng)WiMA

4、X支援最大時(shí)速120Km的移動(dòng)。 　 表1 移動(dòng)式WiMAX的QoS分類一覽 　 WIMAX標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向 IEEE 802.16作業(yè)小組規(guī)定無線都會(huì)區(qū)域網(wǎng)路（MAN，Metropoitan Area Network）的寬頻無線存取技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX Forum為了使相異品牌的產(chǎn)品能夠相互通訊，因此針對(duì)IEEE 802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)製作的產(chǎn)品進(jìn)行相互應(yīng)用測(cè)試與認(rèn)證。 目前IEEE 802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為了能夠廣泛應(yīng)用在固定使用或是移動(dòng)使用領(lǐng)域，因此具備許多附屬參數(shù)（option parameter），主要考量是各供應(yīng)商

5、自由選擇該附屬參數(shù)封裝時(shí)，機(jī)器的相互通訊可能會(huì)很困難，因此WiMAX Forum規(guī)定如何從附屬參數(shù)（包含IEEE 802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)），選擇適合各自的利用環(huán)境附屬共通規(guī)格（profile）。此外它還針對(duì)依照共通規(guī)格製作的機(jī)器，進(jìn)行相互連接測(cè)試與機(jī)器認(rèn)定作業(yè)。 圖2是寬頻移動(dòng)無線存取系統(tǒng)委員會(huì)發(fā)佈的報(bào)告，顯示IEEE 802.16作業(yè)小組與WiMAX Forum的關(guān)係。IEEE 802.16e-2005規(guī)定物理層（PHY）與中間存取控制層（MAC）有關(guān)無線部份的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，最近WiMAX Forum還開始檢討上位層的網(wǎng)路管理，針對(duì)網(wǎng)路層等Layer 3以上制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。 　

6、 移動(dòng)式WiMAX關(guān)鍵技術(shù) OFDMA技術(shù) 移動(dòng)式WiMAX屬於地表波數(shù)位播放規(guī)格，它是以ISDB－T與WLAN規(guī)格，亦即IEEE802.11a/g也採用的OFDM為平臺(tái)（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(dāng)作調(diào)變方式。 OFDMA是將頻寬複數(shù)分割，再利用複數(shù)載波並聯(lián)傳送資料的複數(shù)載波方式。OFDMA系統(tǒng)將輸入信號(hào)分割成複數(shù)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(huán)字首（Cycli

7、c Prefix）的冗長(zhǎng)信號(hào)，迴避符號(hào)之間的符號(hào)干涉。 通常在OFDM，一位使用者可以使用所有副載波（sub carrier）進(jìn)行通訊，不過OFDMA卻可以將副載波分成複數(shù)個(gè)次頻道（sub channel），因此複數(shù)個(gè)使用者可以同時(shí)進(jìn)行通訊。OFDMA的副載波如圖3所示，它是由三種副載波構(gòu)成，分別是： ?資料副載波：傳送資料用。 ?嚮導(dǎo)副載波（pilot sub carrier）：確定符號(hào)同步、補(bǔ)正信號(hào)強(qiáng)度用。 ?無效副載波（Null sub carrier）：防護(hù)副載波（guard sub carrier）與DC副載波用，它不會(huì)傳送資料。 由於OFDMA能夠以次頻道為單

8、位分配使用者，因此低干涉噪訊的副載波優(yōu)先分配給使用者，進(jìn)而增加系統(tǒng)整體的通訊容量，即使鄰近Cell也可以使用相同頻率，頻率效率比OFDM大幅改善， 　 　 智慧型天線技術(shù) 所謂智慧型天線（smart antenna）技術(shù)是指透過複數(shù)天線，將送、收訊信號(hào)作向量（Vektor）或是行列演算，藉此提高系統(tǒng)的資料傳送能力。 雖然移動(dòng)式WiMAX的合型天線技術(shù)是附屬功能，不過利用該技術(shù)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(shù)包含以下技術(shù)，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（C

9、overage）的面積與天線的容量，類似這樣利用收訊信號(hào)控制指向性的特徵（pattern）稱為AAS（Adaptive Antenna System）。 ?時(shí)空間符號(hào) 利用空間變化（Diversity）效應(yīng)降低衰減界限（fading margin）?；拘螢?X1（送訊端2個(gè)天線，收訊端1個(gè)天線）的MISO（Multiple Input Single Output），不過移動(dòng)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(shù)天線，接著透過資料分割至複數(shù)天線送訊，提高資 料的傳送速度，一般稱為MIMO不過移動(dòng)式WiMAX為

10、了與時(shí)空間符號(hào) 作區(qū)隔，因此稱為MIMO矩陣（Matrix）B。2X2的MIMO將資料分割成兩個(gè)送訊，理論上資料的傳送速度相對(duì)提高2倍。 混合自動(dòng)重傳要求（ARQ，Automatic Repeat-reQuest） 混合自動(dòng)重傳要求（ARQ）是指可以提高資料傳送靠性的錯(cuò)誤控制方法而言，錯(cuò)誤控制方法會(huì)對(duì)送訊端要求再送被檢測(cè)的錯(cuò)誤訊框（error frame），將冗長(zhǎng)資料附加至自動(dòng)再送要求與送訊資料，收訊端更正錯(cuò)誤前方修正錯(cuò)誤。 混合ARQ透過自動(dòng)再送要求與前方修正錯(cuò)誤的組合，可以降低錯(cuò)誤檢測(cè) 時(shí)的再送次數(shù)，提供穩(wěn)定資料的傳送速度。 混合ARQ採用3.5G技術(shù)，亦即高速下行

11、封包存?。℉SDPA，High-Speed Downlink Packet Access）也使用的錯(cuò)誤控制方式。 根據(jù)KDDI公司進(jìn)行的移動(dòng)式實(shí)證測(cè)試顯示，隨著混合ARQ功能發(fā)揮，它可以使資料的轉(zhuǎn)送速度上行提高20%，下行提高50%，系統(tǒng)整體提高30%。 日本曾經(jīng)在20004～2005年透過無線寬頻推進(jìn)研究會(huì)，進(jìn)行寬頻無線存?。˙WA，Broadband Wireless Access）系統(tǒng)檢討，該研究會(huì)最後將BWA定義成：「目前的3G行動(dòng)電話系統(tǒng)不易支援上行/下行的寬頻利用，BWA為進(jìn)行大眾用寬頻資料通訊服務(wù)的無線系統(tǒng)」，圖4是BWA系統(tǒng)的特徵與應(yīng)用藍(lán)圖。 　 　 根據(jù)

12、上述研究報(bào)告，2006年3月成立「寬頻移動(dòng)無線存取系統(tǒng)委員會(huì)」，開始檢討構(gòu)成2.5GHz BWA系統(tǒng)的技術(shù)條件，2006年12月委員會(huì)將包含移動(dòng)式WiMAX在內(nèi)的MBTDD-Wideband、MBTDD625k-MC、次世代PHS等四項(xiàng)技術(shù)當(dāng)作BWA技術(shù)，確認(rèn)它是必需滿足的要求條件，同時(shí)還針對(duì)各系統(tǒng)的特徵與干涉條件作成報(bào)告書。 移動(dòng)式WiMAX天線設(shè)計(jì) 移動(dòng)裝置內(nèi)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(jié)構(gòu) 3. 無放射指向性 基於上述理由，採用膜片狀天線（film type antenna）結(jié)構(gòu)較為合理，這種結(jié)構(gòu)是由

13、厚0.1~0.2mm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用天線被設(shè)計(jì)成具備三個(gè)放射元件狀。 圖5是WiMAX天線的基本結(jié)構(gòu)，為了使天線具備2GHz以上頻域特性，因此天線具有三個(gè)獨(dú)立的共振點(diǎn)，分別是二個(gè)Open stub與一個(gè)short stub。 　 　 有復(fù)歸損失（return loss）的閥值以下的頻寬，必需透過設(shè)計(jì)條件使賦予的範(fàn)圍能夠變成最大值，接著再利用傳輸線路理論計(jì)算各線路的長(zhǎng)度，其結(jié)果如圖6所示。 第一個(gè)Open Stub距離供電點(diǎn)大約16mm，第二個(gè)Open Stub距離供電點(diǎn)

14、大約13mm，第三個(gè)short Stub則形成迴路（loop）結(jié)構(gòu)，迴路的長(zhǎng)度大約45mm，天線整體的外形尺寸為。 圖7是復(fù)歸損失的計(jì)算結(jié)果，由圖可知復(fù)歸損失低於的頻域大約是2.8~6.6GHz，證實(shí)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(diǎn)的電界分佈模擬分析結(jié)果，由圖可知第一個(gè)與第二個(gè)Open Stub在低頻端與中央頻率發(fā)生共振，第三個(gè)short Stub則在高頻端發(fā)生共振。 　 　 　 根據(jù)以上檢討結(jié)果試作的膜片狀天線，具體結(jié)構(gòu)天線導(dǎo)體使用銅板，該銅板的兩面再用聚蔥亞胺膜片（Polyimide flim）碾壓

15、（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(jì)算值與試作天線的復(fù)歸損失比較結(jié)果，由圖可知試作天線的低頻端與中央頻率的共振頻率幾乎與計(jì)算結(jié)果一致，高頻端的共振頻率只有300MHz，而且朝低頻端方向移動(dòng)，根據(jù)模擬分析結(jié)果顯示共振頻率的反射已經(jīng)有效被抑制。 上述計(jì)算值與試作結(jié)果略有差異，主要原因是兩者的供電方式不同所造成，根據(jù)以上結(jié)果證實(shí)，此天線可以實(shí)現(xiàn)3GHz以上寬頻域特色。 　 　 圖11是試作的寬頻天線在3GHz與5GHz時(shí)的放射特性（pattern）測(cè)試結(jié)果，如圖所示，垂直與水平偏波成份分別以藍(lán)色與紅色表示，在3GHz

16、與5GHz時(shí)都呈無指向性放射圖案，而且完全無零點(diǎn)（Null）現(xiàn)象。 移動(dòng)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(duì)無線通訊非常重要。根據(jù)上述放射圖案利用下式計(jì)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(cè)step數(shù)（=360） 　 　 圖12是上述天線的平均等化特性量測(cè)結(jié)果，根據(jù)量測(cè)結(jié)果顯示，本天線在2.5~6.0GHz頻域範(fàn)圍內(nèi)，具有非常平坦的等化特性，而且能夠獲得odBi（包

17、含纜線損失在內(nèi)）的高等化值，使用頻寬範(fàn)圍內(nèi)平坦的等化特性對(duì)移動(dòng)式WiMAX非常重要。圖13是本天線的群延遲測(cè)試架構(gòu)圖，如圖所示，天線對(duì)向設(shè)置在電波暗室內(nèi)，彼此的距離依序從40cm、60cm、80cm變化。 圖14是群延遲的測(cè)試結(jié)果，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示本天線的群延遲特性，在2~6GHz頻域內(nèi)能夠維持一定值，它的分佈不均值低於1.2nsec。 　 　 　 　 通訊業(yè)者普遍認(rèn)為2007年開始，WiMAX（IEEE 802.16e-2005）支援的頻率可望普及化，為擴(kuò)大天線的適用頻寬，研究人員將設(shè)置天線的周邊環(huán)境一併列入考慮，重新計(jì)算各放射元件的長(zhǎng)度進(jìn)行天線最佳化設(shè)計(jì)，再將該天線設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)的模擬框架內(nèi)，進(jìn)行天線特性的量測(cè)。 圖15天線設(shè)置在塑膠材質(zhì)模擬框體時(shí)的外觀，圖16是天線設(shè)置在模擬框體時(shí)的狀態(tài)，模擬LCD為金屬材質(zhì)，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(shè)置在塑膠模擬框體時(shí)的歸復(fù)損失（return loss）測(cè)試結(jié)果，如圖所示模擬實(shí)用環(huán)境的最佳化天線，歸返損失低於時(shí)可以含蓋2.2~7GHz的頻率範(fàn)圍，該特性幾乎網(wǎng)羅所有無線通訊的頻率範(fàn)圍。 圖18是上述天線的平均等化結(jié)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(shí)際要求目標(biāo)?！?