Wi-Fi　WiMax　3G 对比

摘要　本文概述了Wi-Fi，WiMax和3G的概念及技术特点，以及这三种技术的应用范围。从传输距离和速率，关键技术，商用前景和网络架构的角度对三种技术进行比较分析，探讨了它们在未来电信技术领域可能的应用。
一、引言
　　随着无线信息技术的发展和新的通信技术的不断出现，是旧的技术是被新的技术代替，还是新旧技术共存，一直以来是通信业界关注和探讨的话题。从固定电话到移动手机，通话的方式从固定到移动，人们享受通信带来的服务也产生了革新。目前，有线宽带已经得到长足的应用，不管是光纤到小区还是5类线到用户，或者ADSL包月，用户对宽带上网的需求在逐渐的增长，像通话服务一样，用户对移动上网的需求也会随着互联网的普及出现和增长，也就是说，会逐渐从有线上网的需求渐渐发展到无线上网需求。
二、Wi-Fi、WiMax和3G三种技术特点及优势
　　Wi-Fi(WirelessFidelity，无线相容性认证)属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术，这项技术目前在IEEE，有三个标准，分别为：802.11a 802.11b 802.11g。Wi-Fi的覆盖范围可达300英尺左右(约合90米)，Wi-Fi无线保真技术，其传输速度快，802.11b的带宽可以达到11Mbit/s，而802.11a及802.11g更可达54Mbit/s。该技术可以组建无线局域网，特别在同一层楼内的办公室可以使用无线办公，其传输速率可以有效的满足宽带联网的需求。
　　*从安全性看，Wi-Fi的安全性不是很好，存在一定的安全隐患，Wi-Fi采用的是射频(RF)技术，通过空气发送和接收数据。由于无线网络使用无线电波传输数据信号，所以非常容易受到来自外界的攻击，黑客可以比较轻易地在电波的覆盖范围内盗取数据甚至进入未受保护的公司内部局域网。
　　*从成熟度看，Wi-Fi的技术和产品，已经相当成熟，而且大批量生产。有很多网络设备厂家都推出了此类产品，利用其便捷简单的布线，作为有线网络的延伸，适合办公室或宾馆的室内环境应用。
　　*从应用前景看，该技术适用于无线局域网，对于特殊地点宽带应用，例如设置在家中、机场、旅馆和商店的Wi-Fi无线接入“热点”来接入网络，应用中可以将Wi-Fi市场细分，针对特定用户，推出相应的应用解决方案。
　　*典型组网示意图，如图1：

图1　Wi-Fi组网示意图
　　WiMax(World Interoperability for Microwave Access)意即全球微波接入互操作性，是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术，有802.16d和802.16e两个标准，无线信号传输距离最远可达50公里。WiMax是一项新兴的无线通信技术，能提供面向互联网的高速连接，适用于静止和半静止状态访问网络，其传输速率可达10M-70M左右，能完全满足宽带上网的需求。802.16e标准定义了空中的物理层与MAC层，802.16e接入IP核心网，也可以提供VoIP业务，支持一点对多点的结构。
　　*从安全性看，WiMAX提供了加密机制，它在介质访问层(MAC)中定义了一个加密子层，支持128位、192位及256位加密系统，通过使用数字证书的认证方式，确保了无线网络内传输的信息得到安全保护。
　　*从成熟度看，WiMax是一个先进的技术，推出相对较晚，存在频率复用性小、利用率低的问题，而且质量无法得到保证，不够成熟，目前大规模应用还是有些阻碍。
　　*从应用前景看，该技术可以在较大范围内满足上网要求，覆盖可以包括室外和室内，可以进行大面积的信号覆盖，甚至只要少数基站就可以实现全城覆盖。WiMax由于其技术的先进性和超远的传输距离，一直被业界看好是未来移动技术的发展方向，提供优良的最后一公里网络接入服务。
　　*典型组网示意图，如图2：

图2　WiMax组网示意图
　　3G即第三代移动通信技术，由IMT-2000组织提出的速率高达2Mbit/s的无线通信技术，无线业务涉及话音、数据、图像和多媒体，无线信号覆盖范围达5公里。3G技术，属于蜂窝无线通信技术，是现在使用的二代无线通信技术的发展，在快速移动环境，最高速率达144bit/s；室外到室内或步行环境，最高速率达到384bit/s；室内环境，速率达到2Mbit/s。它能支持从话音到分组数据的多媒体业务，可以根据需求提供带宽。目前，主流的3G技术有三种制式，分别为WCDMA CDMA2000和TD-SCDMA。
　　*从安全性看，3G采用了很多种加密技术，保证通话和数据的安全，比目前使用的GSM网络更加的安全。不管是话音还是数据都具备很强的保密性，通过多层的协议控制，数据在网络中可以非常安全的传输。
　　*从成熟度看，3G于1996年提出标准，2000年完成包括上层协议在内的完整标准的制订工作。3G网络部署已具备相当的实践经验，有一成套建网的理论，包括对网络的链路预算，传播模型预算，以及计算机仿真等。
　　*从商用前景看，目前，3G在部分地区已得到大规模的商业应用，比如欧洲很多国家、日本、韩国，等都已经建设了3G的网络。3G技术已经进入可以实用的阶段，还有很多国家和地区正在建设或将要建设3G网络。
　　*3G的WCDMA制式的典型网络示意图(图3)：

图3　WCDMA模式3G组网示意图
三、三种技术的应用比较
　　Wi-Fi、WiMax和3G三种技术，从技术标准角度来比较，它们有相似的，大部分是不同的，表1从技术参数和性能上对它们进行了比较。
　　*WiMax对比Wi-Fi
　　从网络架构上看，Wi-Fi可以作为以太网在无限领域的延伸，其拓扑结构相对简单，有着“无线版本以太网”的美称。Wi-Fi覆盖范围较小，决定了只能主要用于室内办公，而WiMax覆盖范围能够在室外进行大面积组网，达到室外空间的网络覆盖，可以为无线城域网使用。Wi-Fi可以作为WiMax的网络补充，特别是已经建成的Wi-Fi仍然会得到很好的利用。
表1　Wi-Fi、WiMax、3G技术参数和性能比较
技术名称 Wi-Fi WiMax 3G(以WCDMA为例)
多址方式 MAC地址识别 OFDM/FDD TDD CDMA/FDD
通信机制 IP IP 电路交换或IP
数据速率 11Mbps 15Mbps 2Mbps
频宽 固定20MHz 1.5M-5M 5M
语音能力 差 差 强
移动性 低速 中速120km/h 高速500km/h
QoS 不支持 固定和承诺带宽 4类
终端 智能终端设备，PC卡等 智能终端设备，PC卡等 手机，PDA，PC卡等
成熟度 较好 标准未定 很好
　　虽然Wi-Fi是WiMax的发展，但从建网费用看，Wi-Fi建网费用低，而WiMax投入成本还相当的高，有专家估计如果建成覆盖全国的网络，每用户成本相当于3000美元。所以在相当长时期内，Wi-Fi不会被WiMax取代。
　　由于Wi-Fi技术传播距离的局限性，它可能只是作为其它无线技术组网的补充，而且无法成为主导的无线组网技术，它在很多方面具备的优势还无法被其它技术完全替代，它在一定情况下还会长期使用。
　　WiMax作为一种无线城域网技术，它可以将Wi-Fi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入，但它的规模化应用仍存在很多难点问题有待解决，首先其标准尚未统一，不同厂家都有自己的一些特殊协议与接口。其次互联互通方面还有待解决，各个WiMax的源采取什么方式连接，是否采用蜂窝式结构。
　　*WiMax对比3G
　　3G技术，相对前两种技术，提出更早，很多国内外厂家都已投入相当多的人力和技术，产品也达到了商用的标准。它和现有的GSM、CDMA网络有着很强的互操作性，目前，很多国内外设备制造商，都对该类技术进行相当多资金的投入，特别是由我国提出的TD-SCDMA技术，从研发到能够商用进行了很多人力物力的投资，估计在2008年前我国的3G必然会有一个成熟的3G网络覆盖。
　　3G的最高2M带宽可能会无法满足用户对带宽的更进一步要求，虽然其HSDPA技术可以提供到10M的速率，但是和WiMax的70M速率还是有差距的，所以在一些对带宽需求强烈的地区WiMax将得到更好的使用，在一些对带宽不敏感的地区，目前的3G已经能满足需求，就不需要建设WiMax网络了，以提高投资效益。
　　WiMax使用频段在10GHz和66GHz范围内，3G使用频段在2000Hz左右，由ITU制定的相应制式和标准。看出WiMax技术应用了IEEE的标准，而3G是ITU制定的标准，IEEE从IP的角度来规范技术参数和应用，而ITU是从传统的电信技术角度来规范制式。从技术标准看，3G更是从可以商业运营的角度，在已经成熟的2G技术基础上的发展，而且考虑了2G的不足和短处，从技术上进行了很多创新和改进，提供了新的合理的和可操作的商业模式，为用户提供更周到的服务。WiMax只是从技术角度考虑，还没有完善合理的可运营的商业模式，要让其成为无线技术的主角，还有待时日。
四、结束语
　　综上所述，Wi-Fi、WiMax和3G这三种技术，确实有很多重叠的功能，但它们可能更多是一个互补的关系，因为它们分别针对的是局域网、城域网和广域网，具有不同的市场定位。尤其是3G已经取得了实质性的进展，运营商、设备制造商都进行了大量投入，不可能期望已经在3G进行大量投资的运营商会放弃3G技术。一个技术的成熟发展要受到很多因素的制约，以后的移动通信更可能是多种技术共存的局面，也更能为用户提供合理和先进的通信服务。
无线个人区域网络(WPAN)
　　无线个人区域网络是相当小型的随意网络(ad hoc network)，通常范围不超过10公尺。由于通讯范围有限，无线个人区域网络通常用于取代实体传输线，让不同的系统能够近距离进行资料同步或连线。

无线通讯技术以范围分成四大类

　　蓝芽无线技术(Bluetooth)是目前最盛行的无线个人区域网络(WPAN)技术，透过2.4 GHz的未管制频带来运作。(图2)显示蓝芽技术由1.1版(资料速率为1 Mbps)演进为1.2版(强化了讯号传输以及频率波段共存的机制)。此外，3 Mbps的蓝芽2.0+进阶资料速率(Enhanced Data Rate；EDR)标准于2004年11月正式通过，相关产品目前已陆续上市。
　　[附注：本报告书采用的资料传输率，通常称为通道尖峰资料传输率(peak channel data rate)，而终端用户所得的实际资料流量，会因为装置无线电、讯号状态、距离，及协定效率等因素的影响而较低。]

无线通讯技术的发展沿革

　　未来的3年中，一些需要更高资料传输率的无线个人区域网路(WPAN)应用方案，可能会选择目前新兴的高频宽超宽频(UWB)技术。因为UWB技术不但频宽高，传输耗电量很低，而且采用相当宽的频率范围。UWB实体层介面(PHY)规格――802.15.3a――目前正由IEEE制定其标准。
　　此外尚有另一个可与之竞争的规格，则由多频带联盟(MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing Alliance；MBOA)开发当中。初期的UWB产品，其资料传输率将介于100480 Mbps之间，预计2006年初可开始上市，后续延伸的版本预计资料传输率可高达1 Gbps。但如果不能解决规格标准彼此竞争的问题，可能会阻碍UWB技术的市场商机。此外，虽然美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission；FCC)已经开放大范围频谱供UWB在美国境内使用，但在美国以外的地区，仍然有一些法规及政策上的限制。
　　另外还有一套无线技术，约略也属于无线个人区域网路的范畴-ZigBee(802.15.4)-最适合某些特定的低频宽应用方案，例如测试仪器与家庭环境自动化。由于ZigBee这项标准除了上述的特定应用之外，不太可能应用于其他领域，因此并未列于(图2)之中。
无线区域网络(WLAN)
　　与无线个人区域网络相较之下，无线区域网络能提供强大的无线网络连结能力，范围可涵盖存取点到客户端中间大约100公尺的距离。目前的无线区域网络以IEEE 802.11标准为基础，称为Wi-Fi网络。 802.11b是第一套成功商业化的无线区域网络技术，提供2.4 GHz频带及11 Mbps的传输速率。在改变不同的资料传输方式之后，采用了802.11g, 2.4 GHz频带，及802.11a, 5 GHz频带，在2003年成功将资料传输率提高到54 Mbps。目前常见所谓的“双频”Wi-Fi存取点及客户端无线网卡，同时结合了支援802.11a、802.11b、802.11g三种规格。另外还有高整合度的单晶片解决方案，不但体积较小，电量需求也较低，因而带动了各种新型设计与应用。
　　除此之外，新标准也特别考量到Wi-Fi网络的安全性，其中Wi-Fi保护存取规格(WPA)及802.11i规格(或WPA2)特别加强用户的身份验证与资料加密。WPA2采用新一代的先进加密安全(AES)技术进行加密。WPA及WPA2中采用的IEEE 802.1X标准，提供了连接埠层级的验证架构。另外，即将问世的802.11e标准特别针对网络服务品质(quality of service；QoS)加以强化，让语音、多媒体等较不容许网络延迟的资料，能在网络上优先传送。Wi-Fi联盟是业界专门负责Wi-Fi认证及相容性测试的机构，目前该联盟已开发出Wi-Fi多媒体(WMM)测试规格，可认证新产品的802.11e相容性。
　　下一代的无线区域网络标准为IEEE 802.11n，其规格目前还在制订当中。802.11n将具备与802.11a、b、g的回溯相容性，并提供超过100 Mbps的资料传输率。802.11n的效能提升，主要来自于新型多重输入/输出(Multiple-Input, Multiple-Output；MIMO)无线电技术、更宽的射频(RF)频道、以及通讯协定堆叠(protocol stack)的改良。MIMO技术藉由增加无线装置中无线电以及天线的数目，提升资料传输率。IEEE预计于2006年中制定核准802.11n的规格，戴尔公司目前正在Wi-Fi联盟积极推动一套产品认证方案，预计将与IEEE 802.11n标准同步推出。
　　无线城域网络(WMAN)
　　无线都会区域网络是一种可涵盖城市或郊区等较大地理区域的无线通讯网络。以往具备T1或T3等级资料速率的长距离无线技术都是由大型电话业者、独立区域电信业者(Independent Local Exchange Carriers；ILEC)、以及其他供应商所专有及经营，用来连接距离较远的地区或大范围校园。目前IEEE已经将一套新的无线都会区域网络技术加以标准化，这套新技术采用需要执照以及免执照的多个频带。
　　其中最为人知的是IEEE 802.16d，也称为“WiMax”，将在211 GHz之间的频率范围运作(在美国将采用2.5 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz三个频带)，在理想状况下若无障碍物阻隔，50公里距离的最高资料传输率高达70 Mbps。最初建设，需要在用户所在的建筑物外加天线，另外还有一个移动版(802.16e)预计于2007年推出。目前还不确定电信运营商、网间网络服务供应商何时或是否愿意建构WiMax，以及业界何时才会大规模架设定点式或移动式WiMax所需的基础设施。但是，业界大多预测WiMax的建设，将会运用现有以及新增的“塔台”基础设施与安装配备。
　　无线广域网络(WWAN)
　无线广域网络是行动电话及数据服务所使用的数字移动通讯网络，由电信运营商所经营，例如Cingular Wireless、Vodafone、Verizon Wireless等公司。无线广域网络的连线能力可涵盖相当广泛的地理区域，但到目前为止资料传输率都偏低，只有115 Kbps，和其他较为区域性的无线技术相去甚远。目前全球的无线广域网络主要采用两大技术――分别是GSM及CDMA技术，预计将来这两套技术仍将以平行的步调发展。
　　欧洲对GSM的标准化相当早，目前包括GSM以及相关的无线数据技术：GPRS及新一代EDGE技术(Enhanced Data GSM Evolution)，大约共掌握了全球三分之二的市场，分布的范围包括北美、欧洲及亚洲。新一代的EDGE 技术可提升GPRS的资料传输率达34倍。而其他GSM业者，尤其已经购买新3G频谱的业者，则主打WCDMA规格(Wideband CDMA)，WCDMA预计资料传输率可达2 Mbps。另外还有一套延伸技术称为HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)，预期将于2006年开始架设，其资料传输率可高达3.6 Mbps以上。
　　主导CDMA技术的发展在美国，CDMA2000无线广域网路技术在北美、日本、韩国及中国的建设已有相当规模。CDMA2000 1xRTT技术(Single-Carrier Radio Transmission Technology)已相当广泛地建置。而下一代的1xEV-DO技术(1xEvolution-Data Optimized)也正由美国的Verizon Wireless以及Sprint PCS公司紧锣密鼓建置之中，预计可支援2.4 Mbps的资料传输率。之后，电信业者将采用规格A版继续发展EV-DO，以支援更高的资料传输率，以及VoIP(Voice over Internet Protocol)通话功能。
新兴之RFID技术
　　一种新类型的无线通讯技术─无线射频识别系统(Radio Frequency Identification；RFID)，目前正开始由大型零售商及其他企业率先采用，以取代传统条码，用于物品管理或库存追踪。在RFID系统中，每项物品或库存货品都附有一个RFID标签，标签上储存有该项货品仅有的资讯，例如独一无二的识别码，这些资讯可用特别的RFID读取器予以辨识。而读取器本身又与后端资料库应用程式相连，可利用读取到的资料来进行货品的追踪、监控、报告及管理，以掌握货品运送的流向。
　　RFID技术的另一个全新应用领域称之为“近距离无线通讯”(Near Field Communication；NFC)。NFC技术主要针对近距离(大约7公分)、需要高度安全性的消费应用系统所设计。例如，内建RFID晶片的智慧卡，可应用于安全付款机制、安全交易等。

　　全球所有无线频谱的和平共存
　　各国的无线通讯技术频率不尽相同，是产业界面临的一大挑战。由于这些差异，例如采用GSM无线广域网路的PDA或行动电话，就有可能在某些地区运作正常，但在其他地区则因无法取得特定频率而造成服务中断。此外，每个国家针对各种无线通讯技术特定的需求而分派不同的频率。例如，GSM在欧洲所分配到的频率为900 MHz以及1800 MHz，而在美国则为800 MHz以及1900 MHz。各地区频率的差异，使厂商在设计支援全球多地通用GSM服务的无线装置时，面临更多的挑战。而移动装置也因为要支持多个频段，造成产品的复杂度及成本升高。目前产业界仍然继续透过标准组织及政府机构，努力使全球各地的频率能更有效率地互相配合。

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