( 2007年9月1日)
Haoming (Ming) Huang， Fujitsu Microelectronics America
隨著固定WiMAX技術的成熟，過去受限於成本、距離和流量限制而無法實現的應用，逐漸有實現的機會了。由於最新無線技術革新，現在固定無線應用已超出短距離資料通訊的範疇，並可進行安全的通訊。由於具備優越的戶外性能、經檢驗的服務品質(QoS)和可靠的安全性，使WiMAX能夠支援像是網路視訊監控的多媒體應用。
監控需求的不斷增長
對安全議題的關注日漸提高，迫使政府和企業在基礎設施、工業和機構中投入大量資金，因為視訊監控是應對恐怖主義的最有力武器。
視訊監控系統最初是在1940年為銀行安全而設計的，現在已成為最普遍的安全和保安系統。據估計僅在美國每年就安裝了兩到三百萬個監控攝影機。Frost & Sullivan預測，到2012年，監控攝影機市場銷售額將從2005年的4.358億美元發展到64.8億美元。
在技術發展的推波助瀾之下，視訊監控已完成從類比到數位的轉換過程，現在能透過網路通訊協定進行監控，此外，還有一些別的先進技術可選，像是無線網路、高解析度、彩色系統、生物測量學(biometrics)、智慧感測器和智慧分析軟體。這些新功能對於工業自動化、運輸、汽車、安全/監控和通訊大有裨益。
無線IP視訊監控系統
在現有的技術中，由於彈性設計與安裝的特性，使得無線IP視訊監控系統迅速發展。因為無線技術具有安裝簡便、易於隱藏的特性，加上安裝成本較低，只要有一台連接到網際網路的電腦，就可以監測所有地點。
傳統的類比無線監控系統缺乏彈性，並且無法利用IP網路基礎設施以達到降低成本的目的。由於範圍有限，類比無線網路不加中繼器就無法覆蓋較寬的範圍。數位網路則解決了這個問題，捕捉到的影像可放置在IP封包裏，在IP網路覆蓋的區域內傳輸。
由於WiFi成本較低，目前多數無線IP視訊監控系統多數採用IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11標準。802.11解決方案覆蓋距離限制在100公尺，所以只適用於室內應用，兒童照護和小企業的監控。而其基於競爭 (contention-based)通訊協定的媒體接取控制(MAC) 晶片，也難以提供視訊監控系統所需的流量和服務品質(QoS)。
對於監控系統這樣的應用，WiFi不夠可靠的安全功能也會帶來不確定性。有部分製造商提供採用專有的無線解決方案，由於其生產量過低且採用專門設計的元件，使得這類設備的成本居高不下。
現在下一代的無線IP視訊監控系統已走上舞臺。由於IEEE 802.11標準的成功，業者已接受了可攜性和彈性的好處。IEEE推出了802.16標準，強化無線都會網路(metropolitan area networks, MAN)的性能。
WiMAX的優點
與WiFi 和其他專有解決方案相比，WiMAX極具成本/性能優勢，像是更高的吞吐量和更長的傳輸距離。WiMAX資料吞吐量的理想值可達72Mbps，幾乎是 IEEE 802.11b的7倍，比IEEE 802.11a/g高50%。而許多有線載體的解決方案傳輸率仍然不超過1Mbps。WiMAX網路可達到數十公里的距離，而WiFi最大只有100公尺。
WiMAX基於經過檢驗的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplex Modulation, OFDM)技術，在非視距(Non Line Of Sight, NLOS)環境下能比WiFi具備更好的變化處理能力。NLOS是採用多路徑環境的主要原因，其有可能導致訊號延遲，通常戶外訊號要比室內訊號經過較長時間才能到達。因此，為了支援NLOS營運，WiMAX使用了更多的載波。WiFi使用了64個子載波，而WiMAX則使用了256個。在WiMAX中，循環字首率(Ratio of cyclic prefix)即用於克服NLOS，不攜帶資料的子載波與總的子載波數量的比值，要比WiFi小得多。因此WiMAX具有較高的效率和較好的NLOS性能。
此外，WiMAX的調度演算法可為對時間敏感的音訊和視訊流量提供足夠的服務品質(QoS)。流量和分為四種服務類型—非請求的頻寬分配(Unsolicited Grant Service, UGS)、即時輪詢服務(Real-Time Polling Service, rtPS)、非即時輪詢服務(Non-Real-Time Polling Service, nrtPS)和最大速率(Best Effort, BE)服務。表1顯示了WiMAX的服務類型。與之對比，802.11採用具碰撞避免功能的載波感測多重存取 (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)的競爭存取機制。較近的WiFi用戶站比較遠的站有更多的機會進行存取，因而使視訊這樣的應用中QoS變得毫無意義。
WiMAX 具有內建的資料加密功能用來防止竊聽，與其他無線技術不同，WiMAX對資料採用資料加密標準(Data Encryption Standard, DES)，對密鑰則採用三重DES加密。高級加密系統(Advanced Encryption System, AES)則是WiMAX的另一可選功能，可用於對安全要求更高的應用。
高整合的WiMAX晶片，如系統單晶片 (System on Chip, SoC)和射頻晶片(Radio Frequency Integrated Circuit, RFIC)，可顯著減少板上元件數和減小板卡尺寸，降低材料成本。該開放標準有助於降低製造WiMAX產品的成本、提高市場適應速度，刺激市場需求。
除了802.16-2004標準外，還有其他WiMAX晶片的革新，以進一步提高效能優勢，包括：
‧支援用戶站和基地台的TDD或FDD應用
‧高效能轉換能力，以達到完全的多訊號規格能力
‧採用64QAM、16QAM、QPSK和BPSK轉換的256 OFDM PHY
‧上行子通道劃分，最多可有16個子通道
‧高效能ADC和DAC，作為靈活的基頻介面
‧具整合DAC的自動頻率控制(AFC)
‧具整合DAC的動態頻率選擇(DFS)
‧發送和接收功率測量的整合ADC
‧整合週邊設備和射頻(RF)控制
‧可程式自動增益控制(AGC)，用來支援大範圍的RF衰減器
‧基於DES和AES/CCM加密/解密的安全措施
‧雙RISC處理器，用來實現高層和低層MAC
‧整合記憶體控制器和DMA控制器
‧整合乙太網路引擎，作為網路介面
‧高度緊湊的封裝
‧對軟體和無線解決提供完備的設計參考。
基於WiMAX的無線IP視訊參考設計
無線攝影機設計可分為兩種邏輯模組，視訊攝影機和WiMAX無線數據機。這兩者間最合理的介面是乙太網路介面，這是因為市場上多數視訊處理器(如Texas Instruments的TMS320DM64x族DSP)都具有乙太網路(多媒體接取控制)介面。低頻寬的應用也可獲益於WiMAX SoC內建的串列週邊介面(Serial peripheral Interface, SPI)，將它作為通訊介面使用。
視訊攝影機模組中，視訊攝影機捕捉影像並輸入給影像感測器陣列，一般是先經過放大器。該陣列將資料傳送給類比數位轉換器(ADC)。轉換成數位格式後，資料送給解碼器，將數位視訊訊號轉換為數平行的數位化資料流程。然後視訊處理器將從視訊解碼器的輸入數位訊號以期望的格式(如JPEG、MPEG2、 MPEG4和H.264)，接著將其發送到內建的乙太網路介面。有些視訊處理器還提供了智慧影像分析功能，而有些則提供了語音功能。
然後，IP 視訊影像透過乙太網路介面發送給WiMAX 無線數據機模組。SoC將乙太網路封包為WiMAX資料幅，然後再透過RF模組發送到大氣。RF模組將WiMAX數位訊號轉換為使用工作頻率帶上的類比訊號，並將此RF送給天線。WiMAX無線數據機還可接受相反方向的訊號，使控制訊號(如平移、傾斜、拉近)能操縱連接的視訊攝影機。
WiMAX SoC有一個介面，可讓設計師使用外部處理器來繞過內部的ARM處理器。如果高解析度應用需要更高的資料速率，該設計提供了一定的彈性，可使用比ARM處理器更強大的處理器。而且，這種設計可使設計師有更多的通訊介面可選。但代價是額外的外部處理器的成本。
WiMax擴充監控系統應用範圍
對於下一代無線 IP 視訊監控系統，WiMAX 新技術可提供優異的性能和可承受的價格。無線技術不斷地發展，使高功能價格比的商業監控系統，能適用於過去無法使用或不適合的環境。(如欲瞭解關於 IEEE 802.16標準寬頻無線接入的更多資訊和參與WiMAX論壇，可連結www.wimaxforum.org 和 www.ieee802.org/16)
作者簡介
Haoming (Ming) Huang是Fujitsu Microelectronics America Inc.產品經理，負責該公司WiMAX系列產品的市場行銷。
