20年未决胜负 无线通信现今和未来

传感器技术 发表于 2018-07-12 15:22:11 收藏 已收藏
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20年未决胜负 无线通信现今和未来

传感器技术 发表于 2018-07-12 15:22:11

为什么手机中会设置LTE、Wi-Fi及蓝牙三种无线通信装置,而平板计算机和计算机中通常都只有Wi-Fi和蓝牙两种?又为什么人们会熟悉Wi-Fi、蓝牙和LTE这些名称?那5G或ZigBee呢?

在无线通信技术与标准持续发展的同时,新的标准与专有技术(如ZigBee)也开始受到关注。该如何区分杂音与真正重要的信息,而市场又应该关注哪些无线技术议题呢(图1)?

覆盖范围/数据速率/功耗

虽然市面上存在各式的营销言论,但从大格局与大方向来观察无线网络通讯的发展趋势相对比较容易,同时这也能提醒人们,无线技术是如何取得现今的成就。在无线电技术中,有三个因素最为重要且与日常生活息息相关,即覆盖范围、数据速率以及功耗。

图1 无线数据传输通讯技术

手机连接至基地台、笔记本电脑连接至家中路由器或无线耳机连接至手机时,都会遇到覆盖范围问题。大部分的人对于数据速率特别有感受,尤其是在观看影片或听音乐的时候。迄今,Wi-Fi在数据速率上还是居于领先的地位,尽管目前已经能够利用LTE和5G实现相当的数据速率,但价格却也可能更高。而多数人都已经习惯定期为手机和笔记本电脑充电,但在正要使用耳机或智能手表等小型设备却发现它们没电时,仍会发现到功耗的重要性。 这三个因素以一种有趣的方式(某种基本的物理定律)组合在一起。如果尝试改进其中一个因素,就必须牺牲其他两者。例如,若要提高数据速率,必须缩小覆盖范围或提高输出功率。目前已发展出数据速率较高的Wi-Fi,但覆盖范围却比过去还要小,通常都须使用中继器,这也是驱动分布式(网状)Wi-Fi发展的因素之一。ZigBee亦是如此,ZigBee的覆盖范围和Wi-Fi一样,虽然数据速率较低,但功耗也更低,因此可实现非常长的电池续航时间。 另外,其实还存在第四个因素,不过人们可能很少意识到。这个因素是频率,更高的频率会缩小覆盖范围,或需要更高的功率来实现相同的覆盖范围。但是更高频率也会具有更多带宽优势,因此可实现更高的数据速率。这说明了为什么提高数据速率往往必须提高频率。Wi-Fi的最新版本802.11ay就是在60GHz频段进行数据传输,目标是实现高达100Gbps的数据速率。 

手机/笔记本电脑无线电技术

显然,对于无线电技术我们有很多内容可以讨论,但基本上,上述的因素就是为何在手机中配置三种无线技术的原因。LTE用于实现覆盖范围,以连接至最近的基地台;Wi-Fi用于实现家中或办公室中的连接性能;蓝牙则用于实现短程连接至随身携带的小型设备,如手机耳机或智慧手表。 那么,为什么笔记本电脑和平板计算机通常只采用两种无线装置呢?虽然存在一个合乎逻辑的答案,但我们还必须了解一些背后的历史意义。 

历史简介:技术参与者

我们已经了解了三种新技术的发展和趋势: 1. 手机:透过低速数据通讯的方式远程连结彼此。 2. 无线广播/电视:透过有线或卫星业者采用单向高速数据通讯的方式进行音频/影像广播。 3. 计算机:包括将所有事物联系在一起的双向高速网络,所有的通讯最初都是透过有线电缆(铜线或光纤)实现,但是随着无线便利性的体现,无线通信开始流行起来。 随着技术的进步,手机、电视、笔记本电脑以及平板计算机之间的差异开始慢慢消失,在某种程度上它们都逐渐成为“智慧联网设备”,但是它们仍拥有各自的无线通信标准史,因为它们都各自经历了从有线到无线技术的过渡。手机和计算机的发展更具动态性,而电视因为属于固定(非移动)设备,有线/卫星业大部分仍停留在有线世界之中。 随着手机功能变得更类似于计算机(即智能手机),以及计算机开始支持各种类似于视讯和手机的通讯能力,过去和目前发展的联网技术有时候会存在矛盾,那就不令人意外了。 

联网技术标准发展截然不同

3GPP是当今的无线手机通讯标准化机构,而IEEE 802.11则是无线计算机数据通讯的标准化机构。3GPP主要由手机业者及其政府赞助部门组成,因为营运商最初都是政府机构(部分国家营运者目前仍是政府机构)。IEEE 802.11在计算机行业根深蒂固,除了学术界和监管机构,IEEE 802.11还拥有大批工程师会员,其大部分由雇主公司赞助。 IEEE 802.11和3GPP还具有另一个根本性区别。政府赞助的3GPP采用许可频谱,可在一定时间内使用,并用于提供通讯服务,作为频谱许可方,政府负责确保频谱只被许可人使用。但IEEE 802.11却并非如此,该机构根据一组权限有限的规则制定了免执照频段领域适用的标准,其实际应用的干扰区停留在特定范围内。这些频段被称为工业、科学与医学(ISM)频段,并可在2GHz、5GHz和60GHz频段范围内找到。 赞助其工程师制定IEEE 802.11标准的公司须强制遵守IEEE 802.11标准定义。IEEE 802.11本身并不对其规格兼容性与一致性进行监管。所以,这些感兴趣的公司成立了一个Wi-Fi联盟,以便在Wi-Fi品牌下共同遵守和推广IEEE 802.11标准。 另一方面,3GPP从未真正地致力于实施一个针对消费者的具有凝聚力的品牌战略。3GPP这样做是有道理的,因为它是业者组成的利益集团,通常对市场具有一定的掌控力。它们不须像Wi-Fi和蓝牙那样去赢得消费者的支持与背书。所以,它们无须担忧品牌一致性问题,只须将一整套不断完善的标准从GSM/GPRS迁移至3G、Edge、4G、LTE以及现在的5G,而这种规格的改进与变革可能涉及一系列新的部署。 

Wi-Fi实现高效网络连接 计算机无使用3G必要

20世纪90年代出现Wi-Fi时,3GPP的死忠支持者普遍都在问:为什么需要Wi-Fi?当时3G标准化进展顺利,并承诺实现高数据速率,而连接或整合至笔记本电脑的3G调制解调器可提供无所不在的连接。那么为什么要使用Wi-Fi呢?人们普遍认为,免照的通讯技术迟早会消失,因为在免照频段中缺乏监管,会导致性能呈螺旋形迅速下降。 当然,如今我们都知道结局截然不同。Wi-Fi已经找到了一种方法使其能够在免照ISM频段中适当运行,并满足室内的无线连接需求,而3G却不具备良好的穿透性能。透过从2.4GHz频段发展到5GHz频段,Wi-Fi可迅速提高其数据速率,并扩展其通讯能力。此外,透过发展至60GHz频段,其数据速率和能力预计将进一步提高。截至目前为止,无线讯号扩展器技术以及最近的分布式Wi-Fi理念亦为Wi-Fi取得的成功提供了支持。 Wi-Fi之所以能够成功,其中一个很重要的原因是3G通讯必须与电信业者绑定月租付费服务,以及一个初期成本非常高的通话方案,更不必提漫游费用。相较之下,Wi-Fi是免费的;或者说,至少透过固定电话、ISDN与之后的ADSL实现的Wi-Fi技术增量成本比较有限。 所以现在出现了有线业者与无线业者直接竞争的局面,最终推动Wi-Fi获得了全球认可。由于担心过度使用3G技术进行数据通讯会导致语音服务崩溃,无线业者最初不鼓励使用3G技术,而鼓励使用Wi-Fi,也因而促进Wi-Fi的使用率。 这回答了为什么大多数计算机和平板计算机只有两种无线传输设备这个问题。由于Wi-Fi可实现经济高效的多功能网络连接,所以很少将使用3G许可频段无线通信设备整合到计算机或平板计算机中。整合式3G无线通信方案的成本与Wi-Fi比较相对来说太高。当需要移动解决方案时,使用者过去多会转向3G连接装置(Dongle)之类的设备,而现在使用者通常会使用手机热点来实现。 

Wi-Fi/蓝牙/ZigBee相互竞逐

当Wi-Fi与3G之间的竞争逐渐明朗时,另一场较量也开始出现。一些手机厂(如爱立信与诺基亚)发现了ISM频段的另一种用途:可以利用ISM频段,当连接热点下载信息或将无线耳机和其他设备连接至手机时,用以提高手机连接性。为创建一个针对手机连接性的标准,蓝牙特别兴趣小组(SIG)也因而成立,小组成员均为公司,与IEEE 802.11由工程师组成相反。不久,蓝牙SIG附和了3GPP的观点,声明Wi-Fi是多余的,并向市场宣布Wi-Fi很快就会消失。 几年后,人们发现Wi-Fi和蓝牙拥有各自确定的应用领域,即Wi-Fi用于联网,蓝牙用于接口设备连接。此后许多设备都开始采用Wi-Fi和蓝牙,Wi-Fi用以实现高速联网,而蓝牙用以连接设备。曾经有一段时间,有人试图使蓝牙成为IEEE的一部分,但是由于组织和成员之间的差异性让两者无法兼容。 有趣的是,两者之间的后续较量如今还持续在进行中。Wi-Fi(基于IEEE 802.15.4)的低功耗版本ZigBee,正受到来自蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)的威胁。蓝牙SIG投入开发蓝牙网状网络(Bluetooth Mesh),与ZigBee展开竞争。然而,早期提案表明,若BLE要实现ZigBee现有的功能,将会大幅增加BLE设计的复杂性。 

频谱可用性

透过增加全球监管当局提供的无线电频谱数量,这些无线电技术的发展就成为了可能。图2和图3粗略地显示了所涉及的主要技术和频段。2019年世界无线电通讯大会上,预计会对Wi-Fi和5G进行全新分配,以支持无线数据通讯不断增长的需求。频谱可用性和使用状况的具体细节则不在本文所要谈论的范围内。 

手机电信业与Wi-Fi合作

也许有人会认为,3G与Wi-Fi经过激烈竞争之后,两种技术之间的界限就会清楚:Wi-Fi用于私人空间(家庭、办公室),而3G可用于任何地方。但事实并非如此。最初3GPP的手机电信业者皆怀疑热点(Hotspot)的发展,亦即让人们在公共区域能够使用高速互联网,且无须付费月租。

图2 无线通信技术中可用的频段和预期分配的频段

而对于手机电信业者来说值得庆幸的是,经过实际的运作发现,要运行大量热点并不是一项简单的工作,特别是在大型零售店和连锁饭店、城市、火车等地方。提供公共热点服务的公司已经逐渐被手机电信业者并吞,而手机电信业者开始进一步采用Wi-Fi技术,并了解到免牌照频段并非如想象中那样糟糕。业者甚至还制定了使用公共热点和私有路由器来分担3G流量的策略。换句话说,就是使用Wi-Fi连接的热点提供传统的手机电信服务。 与此同时,消费者和企业了解到运行Wi-Fi网络将变得更加复杂,且手机业者以及有线业者开始发现私有Wi-Fi网络蕴藏商机,其可以协助消费者与小型企业运行其所拥有的私有Wi-Fi网络。 随着数据流量的快速增长,尤其是透过影音应用程序(如YouTube)的数据流量增长,业者须要加大网络传流量。但是,获得更多频段并非易事。除了善用Wi-Fi,实现这一容量的更快捷方法就是让3G、4G或LTE技术的后继技术也能在ISM频段中运行。这种概念进而促进了LTE许可辅助访问(LTE-LAA)的发展。3GPP规范允许在同个5GHz频谱中使用Wi-Fi和LTE-LAA。首款LTE-LAA装置目前正在计划阶段,但是LTE-LAA是否会受欢迎,仍有待观察。

图3 无线技术的频谱可用性发展

基于对这一历史背景的了解,可看到一场新的角逐即将开始。IEEE 802.11一直都在努力实现更高速的版本(802.11n和802.11ac),而802.11ax的发展也正在逐步完成中。与此同时,3GPP开始在4G/LTE基础上继续前进,并大力投资5G技术。Wi-Fi联盟在营销方面表现出色,它们把所有东西都称为高速Wi-Fi;而3GPP则继续以技术为驱动力,明确定义5G与Wi-Fi为不同世代的技术,进而产生其差异性并制造难题来阻碍5G与Wi-Fi未来整合的可能性。 

无线通信现今和未来

而到底哪项技术将胜出,会是5G还是IEEE 802.11ax?实际应用上,两者都可实现高数据速率(Gbps),两者都须消耗大量功率以获得良好的覆盖范围,同时两者都试图进入对方的领域。5G声称"其有方法提高室内穿透性",而802.11ax的口号则是“802.11ax将会实现5G所规画的愿景与用户的期待”。 虽然随着数据速率的提升,覆盖范围肯定会缩小,但IEEE 802.11ax已经制定出了一个清晰的行动计划来解决这个难题。有趣的是,这个原本属于Wi-Fi的劣势如今却因为分布式Wi-Fi网络架构的发展,而将这一劣势转变为其本身的优势。其解决方案则是利用全新的IEEE 802.11ax标准有效地集中用于分布式Wi-Fi系统,并同时启用多个通道以便将不同房间的多个存取点连接至主路由器。 IEEE 802.11ax所关注的焦点是完整的室内覆盖,家里或办公大楼的每个角落和缝隙都可实现同样的高数据速率,打造出一种不容易被5G替代的体验。为了实现这个令人难以置信的使用者体验,IEEE 802.11ax的标准制定进而变得相当的复杂且繁复,而其标准规格落实的时间也因而又延迟了6个月,预计将于2019年年初获得批准。 然而,5G正面临着其独有的严峻挑战,其中包括延迟的问题。尽管5G提高了数据速率,但其覆盖范围却缩小了,且手机基地台的覆盖范围开始降到以平方公尺为单位计算。预计5G的覆盖范围可能缩小一半,这也是为何电信业者会要求将基地台数量增加4倍多,以改善其覆盖的问题。在人口密集的市区寻找安置基地台的空间成本较高,这意味着推出5G基础设施的开销庞大。而与此同时许多业者的4G投资还尚未回本。 尽管情况会随着国家和手机业者财务结构的不同而有所差异,但本文认为如果想要留住渴望获得更高数据速率的消费者和企业客户,就必须提高数据速率,尤其是在人口密集的环境中,需执照频谱的使用比免照频段的使用更好控制。 所以,谁将在竞争中取胜?老实说,两者间根本不应该采取竞争。5G与Wi-Fi都有其独特性,有益于将“计算机”(包括可分类到这一项下的所有设备)连接至互联网。因此,业者如果能够充分利用这两项技术的优势,并定义与执行同时使用这两项技术的策略,就能在市场中取胜。从这个角度来看,这些技术竞争的最终赢家将会是最终使用者。

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