服務品質有保證　WiMAX無線專網發展可期

2013-10-14

吳明儒

電信業者(如中華電信、台灣大哥大、遠傳電信、威寶電信、全球一動和威邁思等)所擁有的3G、4G行動網路服務，屬於無線公眾網路(公網)。在公網中，每個用戶的等級都是平等的，並沒有優先權高低之分別。用戶所得到的頻寬基本上與網路壅塞程度呈反比關係；根據消基會2013年公布調查結果顯示，國內行動上網平均下載速度為2.06Mbit/s，上傳速度為0.3Mbit/s。

在公網中基地台(Base Station, BS)並不會根據用戶流量(Traffic)特性而提供相應的服務品質(Quality of Service, QoS)類別。在公網的商業模式及管理(非關技術能力問題)，基本上僅以盡力服務(Best Effort, BE)方式傳送封包，即便用戶在觀看YouTube影片或以Skype進行視訊會議。

有別於無線公網　無線專網自主性強

無線專用網路(專網)則是用來建置行業專業應用所需之無線網路系統，若以公網建置，則有頻寬不穩定、安全性、成本等諸多疑慮。

一般無線專網需求端皆期望該網路系統具有高容量、高覆蓋、高可靠性、低功耗、低成本及低複雜度等三高三低特性。

另外，無線專網系統具備更高的靈活度，以滿足不同專網場域應用服務的需求，例如動態調整下行(Downlink)與上行(Uplink)頻寬分配比例、提供不同QoS類別、設定資料傳輸優先權(User Priority)等。

從市場需求來看，無線專網的需求主要來自於公共事業、健康和交通運輸等，國際上的應用案例包括：澳洲電力/瓦斯公司的全球微波存取互通介面(WiMAX)智慧電網(Smart Grid)、土耳其穆拉省的無線影像監控網路、美國印地安納運輸部門的智慧交通系統等。

WiMAX無線專網可獲QoS保證

無線專網是一個值得發展的解決方案，可運用於無線視訊監控服務、智慧電網，以及物聯網(IoT)等眾多垂直應用領域。

QoS的設計在WiMAX無線公網中可說是大材小用，在專網中則有機會領略WiMAX QoS設計的意義。如表1所示，IEEE 802.16e標準規範基地台必須提供五種QoS類別。

IEEE 802.16e也規範各QoS類別在實作時應該考慮的參數(表2)，例如UGS、ertPS、rtPS這三個具有即時性的資料服務，皆須考慮封包的最大延遲(Maximum Latency, ML)，若封包訊息佇列時間(Queuing Time)超過ML設定值，則可考慮將此封包丟棄。

如何在多使用者、多重存取及各種QoS參數要求下(甚至考慮各MS的無線訊號品質)，分配各資料服務流的頻寬是一項艱難的任務，也難怪公網服務業者乾脆只提供BE。考量不同系統效能指標，如總吞吐量、平均延遲時間、公平性、複雜度等，學術界已研究出各式各樣的排程演算法，在此文中並不深入探討。

在無線專網中，行動通訊台(MS)端的行為相對較可控制，可針對應用服務的特性設定所需要的QoS類別。以視訊串流(Video Streaming)為例，若捨BE改以rtPS方式傳送封包，最顯著的差異便是延遲(Latency)的改進。

圖1同樣以Ping測量MS與ASN-GW間的往返時差(Round Trip Time, RTT)，使用BE的平均RTT為65毫秒(ms)，使用rtPS則降為45毫秒，降幅達30%。

資料來源：資策會
圖1　BE與rtPS之往返時差比較

若觀看實際視訊畫面，rtPS則相當接近即時(Real Time)且流暢，BE則有明顯的時間差，並偶有停格的現象(因頻寬競爭失敗)。

圖2詳細分析BE與rtPS的作業流程，兩者RTT的差異最主要是在MS Queuing Delay(40.274毫秒與20.247毫秒)，原因來自於BE的頻寬乃透過競爭方式(Contention-based)取得，rtPS則是基地台週期性地詢問MS所需要的頻寬。

資料來源：資策會
圖2　BE與rtPS之往返時差分析

在無線專網中，亦可提供兩相同的QoS類別，但具備不同QoS參數設定。例如影像監控應用情境中，有些監視器的畫面較為重要，則可提高其流量優先權(Traffic Priority)、最大持續流量(Maximum Sustained Traffic Rate, MSTR)等，配合監視器的位元率(Bit Rate)、訊框率(Frame Rate)獲得較清晰的視訊畫面(圖3)。

資料來源：資策會
圖3　相同QoS類別下不同參數設定之結果

WiMAX無線專網已有實績

在以往的福隆海洋音樂祭活動中，新北市警察局利用3G網路來建置行動影音視訊監控系統，但由於3G網路屬於公眾網路，當現場使用者眾多時，便造成3G網路擁塞，頻寬不敷使用，使得警方原本期待的影音視訊監控畫系統無法達到預期效益。

有鑑於此，101年新北市警察局與資策會、工研院合作，於福隆海洋音樂祭活動中布建WiMAX無線專網(圖4)，提供可靠、安全行動影音視訊監控系統。遠端監控視訊以穩定的傳輸速度(384kbit/s以上，並可設定QoS等級)傳送至後端視訊伺服器(Video Server)，實現新北市警察局對於現場即時監控的需求，對於警察人力調度與現場交通指揮具有極大的助益，深獲警局高層肯定與滿意。