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爭雄20年未決勝負 5G/Wi-Fi無線技術戰鼓續催

2018-07-10
為什麼手機中會設置LTE、Wi-Fi及藍牙三種無線通訊裝置,而平板電腦和電腦中通常都只有Wi-Fi和藍牙兩種?又為什麼人們會熟悉Wi-Fi、藍牙和LTE這些名稱?那5G或ZigBee呢?

在無線通訊技術與標準持續發展的同時,新的標準與專有技術(如ZigBee)也開始受到關注。該如何區分雜音與真正重要的資訊,而市場又應該關注哪些無線技術議題呢(圖1)?

圖1  無線資料傳輸通訊技術

覆蓋範圍/資料速率/功耗

雖然市面上存在各式的行銷言論,但從大格局與大方向來觀察無線網路通訊的發展趨勢相對比較容易,同時這也能提醒人們,無線技術是如何取得現今的成就。在無線電技術中,有三個因素最為重要且與日常生活息息相關,即覆蓋範圍、資料速率以及功耗。

手機連接至基地台、筆記型電腦連接至家中路由器或無線耳機連接至手機時,都會遇到覆蓋範圍問題。大部分的人對於資料速率特別有感受,尤其是在觀看影片或聽音樂的時候。迄今,Wi-Fi在資料速率上還是居於領先的地位,儘管目前已經能夠利用LTE5G實現相當的資料速率,但價格卻也可能更高。而多數人都已經習慣定期為手機和筆記型電腦充電,但在正要使用耳機或智慧手表等小型設備卻發現它們沒電時,仍會發現到功耗的重要性。

這三個因素以一種有趣的方式(某種基本的物理定律)組合在一起。如果嘗試改進其中一個因素,就必須犧牲其他兩者。例如,若要提高資料速率,必須縮小覆蓋範圍或提高輸出功率。目前已發展出資料速率較高的Wi-Fi,但覆蓋範圍卻比過去還要小,通常都須使用中繼器,這也是驅動分散式(網狀)Wi-Fi發展的因素之一。ZigBee亦是如此,ZigBee的覆蓋範圍和Wi-Fi一樣,雖然資料速率較低,但功耗也更低,因此可實現非常長的電池續航時間。

另外,其實還存在第四個因素,不過人們可能很少意識到。這個因素是頻率,更高的頻率會縮小覆蓋範圍,或需要更高的功率來實現相同的覆蓋範圍。但是更高頻率也會具有更多頻寬優勢,因此可實現更高的資料速率。這說明了為什麼提高資料速率往往必須提高頻率。Wi-Fi的最新版本802.11ay就是在60GHz頻段進行資料傳輸,目標是實現高達100Gbps的資料速率。

手機/筆記型電腦無線電技術

顯然,對於無線電技術我們有很多內容可以討論,但基本上,上述的因素就是為何在手機中配置三種無線技術的原因。LTE用於實現覆蓋範圍,以連接至最近的基地台;Wi-Fi用於實現家中或辦公室中的連線性能;藍牙則用於實現短程連接至隨身攜帶的小型設備,如手機耳機或智慧手表。

那麼,為什麼筆記型電腦和平板電腦通常只採用兩種無線裝置呢?雖然存在一個合乎邏輯的答案,但我們還必須了解一些背後的歷史意義。

歷史簡介:技術參與者

我們已經了解了三種新技術的發展和趨勢:

1. 手機:透過低速資料通訊的方式遠端連結彼此。

2. 無線廣播/電視:透過有線或衛星業者採用單向高速資料通訊的方式進行音訊/影像廣播。

3. 電腦:包括將所有事物聯繫在一起的雙向高速網路,所有的通訊最初都是透過有線電纜(銅線或光纖)實現,但是隨著無線便利性的體現,無線通訊開始流行起來。

隨著技術的進步,手機、電視、筆記型電腦以及平板電腦之間的差異開始慢慢消失,在某種程度上它們都逐漸成為「智慧聯網設備」,但是它們仍擁有各自的無線通訊標準史,因為它們都各自經歷了從有線到無線技術的過渡。手機和電腦的發展更具動態性,而電視因為屬於固定(非行動)設備,有線/衛星業大部分仍停留在有線世界之中。

隨著手機功能變得更類似於電腦(即智慧手機),以及電腦開始支援各種類似於視訊和手機的通訊能力,過去和目前發展的聯網技術有時候會存在矛盾,那就不令人意外了。

聯網技術標準發展截然不同

3GPP是當今的無線手機通訊標準化機構,而IEEE 802.11則是無線電腦資料通訊的標準化機構。3GPP主要由手機業者及其政府贊助部門組成,因為營運商最初都是政府機構(部分國家營運者目前仍是政府機構)IEEE 802.11在電腦行業根深蒂固,除了學術界和監管機構,IEEE 802.11還擁有大批工程師會員,其大部分由雇主公司贊助。

IEEE 802.113GPP還具有另一個根本性區別。政府贊助的3GPP採用許可頻譜,可在一定時間內使用,並用於提供通訊服務,作為頻譜許可方,政府負責確保頻譜只被許可人使用。但IEEE 802.11卻並非如此,該機構根據一組許可權有限的規則制定了免執照頻段領域適用的標準,其實際應用的干擾區停留在特定範圍內。這些頻段被稱為工業、科學與醫學(ISM)頻段,並可在2GHz5GHz60GHz頻段範圍內找到。

贊助其工程師制定IEEE 802.11標準的公司須強制遵守IEEE 802.11標準定義。IEEE 802.11本身並不對其規格相容性與一致性進行監管。所以,這些感興趣的公司成立了一個Wi-Fi聯盟,以便在Wi-Fi品牌下共同遵守和推廣IEEE 802.11標準。

另一方面,3GPP從未真正地致力於實施一個針對消費者的具有凝聚力的品牌戰略。3GPP這樣做是有道理的,因為它是業者組成的利益集團,通常對市場具有一定的掌控力。它們不須像Wi-Fi和藍牙那樣去贏得消費者的支持與背書。所以,它們無須擔憂品牌一致性問題,只須將一整套不斷完善的標準從GSM/GPRS遷移至3GEdge4GLTE以及現在的5G,而這種規格的改進與變革可能涉及一系列新的部署。

Wi-Fi實現高效網路連接 電腦無使用3G必要

20世紀90年代出現Wi-Fi時,3GPP的死忠支持者普遍都在問:為什麼需要Wi-Fi?當時3G標準化進展順利,並承諾實現高資料速率,而連接或整合至筆記型電腦的3G數據機可提供無所不在的連接。那麼為什麼要使用Wi-Fi呢?人們普遍認為,免照的通訊技術遲早會消失,因為在免照頻段中缺乏監管,會導致性能呈螺旋形迅速下降。

當然,如今我們都知道結局截然不同。Wi-Fi已經找到了一種方法使其能夠在免照ISM頻段中適當運行,並滿足室內的無線連接需求,而3G卻不具備良好的穿透性能。透過從2.4GHz頻段發展到5GHz頻段,Wi-Fi可迅速提高其資料速率,並擴展其通訊能力。此外,透過發展至60GHz頻段,其資料速率和能力預計將進一步提高。截至目前為止,無線訊號擴展器技術以及最近的分散式Wi-Fi理念亦為Wi-Fi取得的成功提供了支援。

Wi-Fi之所以能夠成功,其中一個很重要的原因是3G通訊必須與電信業者綁定月租付費服務,以及一個初期成本非常高的通話方案,更不必提漫遊費用。相較之下,Wi-Fi是免費的;或者說,至少透過固定電話、ISDN與之後的ADSL實現的Wi-Fi技術增量成本比較有限。

所以現在出現了有線業者與無線業者直接競爭的局面,最終推動Wi-Fi獲得了全球認可。由於擔心過度使用3G技術進行資料通訊會導致語音服務崩潰,無線業者最初不鼓勵使用3G技術,而鼓勵使用Wi-Fi,也因而促進Wi-Fi的使用率。

這回答了為什麼大多數電腦和平板電腦只有兩種無線傳輸設備這個問題。由於Wi-Fi可實現經濟高效的多功能網路連接,所以很少將使用3G許可頻段無線通訊設備整合到電腦或平板電腦中。整合式3G無線通訊方案的成本與Wi-Fi比較相對來說太高。當需要行動解決方案時,使用者過去多會轉向3G連接裝置(Dongle)之類的設備,而現在使用者通常會使用手機熱點來實現。

Wi-Fi/藍牙/ZigBee相互競逐

Wi-Fi3G之間的競爭逐漸明朗時,另一場較量也開始出現。一些手機廠(如愛立信與諾基亞)發現了ISM頻段的另一種用途:可以利用ISM頻段,當連接熱點下載資訊或將無線耳機和其他設備連接至手機時,用以提高手機連線性。為創建一個針對手機連線性的標準,藍牙特別興趣小組(SIG)也因而成立,小組成員均為公司,與IEEE 802.11由工程師組成相反。不久,藍牙SIG附和了3GPP的觀點,聲明Wi-Fi是多餘的,並向市場宣布Wi-Fi很快就會消失。

幾年後,人們發現Wi-Fi和藍牙擁有各自確定的應用領域,即Wi-Fi用於聯網,藍牙用於周邊設備連接。此後許多設備都開始採用Wi-Fi和藍牙,Wi-Fi用以實現高速聯網,而藍牙用以連接設備。曾經有一段時間,有人試圖使藍牙成為IEEE的一部分,但是由於組織和成員之間的差異性讓兩者無法相容。

有趣的是,兩者之間的後續較量如今還持續在進行中。Wi-Fi(基於IEEE 802.15.4)的低功耗版本ZigBee,正受到來自藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)的威脅。藍牙SIG投入開發藍牙網狀網路(Bluetooth Mesh),與ZigBee展開競爭。然而,早期提案表明,若BLE要實現ZigBee現有的功能,將會大幅增加BLE設計的複雜性。

頻譜可用性

透過增加全球監管當局提供的無線電頻譜數量,這些無線電技術的發展就成為了可能。圖2和圖3粗略地顯示了所涉及的主要技術和頻段。2019年世界無線電通訊大會上,預計會對Wi-Fi5G進行全新分配,以支援無線資料通訊不斷增長的需求。頻譜可用性和使用狀況的具體細節則不在本文所要談論的範圍內。

圖2  無線通訊技術中可用的頻段和預期分配的頻段

手機電信業與Wi-Fi合作

也許有人會認為,3GWi-Fi經過激烈競爭之後,兩種技術之間的界限就會清楚:Wi-Fi用於私人空間(家庭、辦公室),而3G可用於任何地方。但事實並非如此。最初3GPP的手機電信業者皆懷疑熱點(Hotspot)的發展,亦即讓人們在公共區域能夠使用高速互聯網,且無須付費月租。

 

圖3  無線技術的頻譜可用性發展

而對於手機電信業者來說值得慶幸的是,經過實際的運作發現,要運行大量熱點並不是一項簡單的工作,特別是在大型零售店和連鎖飯店、城市、火車等地方。提供公共熱點服務的公司已經逐漸被手機電信業者併吞,而手機電信業者開始進一步採用Wi-Fi技術,並了解到免牌照頻段並非如想像中那樣糟糕。業者甚至還制定了使用公共熱點和私有路由器來分擔3G流量的策略。換句話說,就是使用Wi-Fi連接的熱點提供傳統的手機電信服務。

與此同時,消費者和企業了解到運行Wi-Fi網路將變得更加複雜,且手機業者以及有線業者開始發現私有Wi-Fi網路蘊藏商機,其可以協助消費者與小型企業運行其所擁有的私有Wi-Fi網路。

隨著資料流量的快速增長,尤其是透過影音應用程式(YouTube)的資料流量增長,業者須要加大網路傳流量。但是,獲得更多頻段並非易事。除了善用Wi-Fi,實現這一容量的更快捷方法就是讓3G4GLTE技術的後繼技術也能在ISM頻段中運行。這種概念進而促進了LTE許可輔助訪問(LTE-LAA)的發展。3GPP規範允許在同個5GHz頻譜中使用Wi-FiLTE-LAA。首款LTE-LAA裝置目前正在計畫階段,但是LTE-LAA是否會受歡迎,仍有待觀察。

基於對這一歷史背景的了解,可看到一場新的角逐即將開始。IEEE 802.11一直都在努力實現更高速的版本(802.11n802.11ac),而802.11ax的發展也正在逐步完成中。與此同時,3GPP開始在4G/LTE基礎上繼續前進,並大力投資5G技術。Wi-Fi聯盟在行銷方面表現出色,它們把所有東西都稱為高速Wi-Fi;而3GPP則繼續以技術為驅動力,明確定義5GWi-Fi為不同世代的技術,進而產生其差異性並製造難題來阻礙5GWi-Fi未來整合的可能性。

無線通訊現今/未來

而到底哪項技術將勝出,會是5G還是IEEE 802.11ax?實際應用上,兩者都可實現高資料速率(Gbps),兩者都須消耗大量功率以獲得良好的覆蓋範圍,同時兩者都試圖進入對方的領域。5G聲稱「其有方法提高室內穿透性」,而802.11ax的口號則是「802.11ax將會實現5G所規畫的願景與用戶的期待」。

雖然隨著資料速率的提升,覆蓋範圍肯定會縮小,但IEEE 802.11ax已經制定出了一個清晰的行動計畫來解決這個難題。有趣的是,這個原本屬於Wi-Fi的劣勢如今卻因為分散式Wi-Fi網路架構的發展,而將這一劣勢轉變為其本身的優勢。其解決方案則是利用全新的IEEE 802.11ax標準有效地集中用於分散式Wi-Fi系統,並同時啟用多個通道以便將不同房間的多個存取點連接至主路由器。

IEEE 802.11ax所關注的焦點是完整的室內覆蓋,家裡或辦公大樓的每個角落和縫隙都可實現同樣的高資料速率,打造出一種不容易被5G替代的體驗。為了實現這個令人難以置信的使用者體驗,IEEE 802.11ax的標準制定進而變得相當的複雜且繁複,而其標準規格落實的時間也因而又延遲了6個月,預計將於2019年年初獲得批准。

然而,5G正面臨著其獨有的嚴峻挑戰,其中包括延遲的問題。儘管5G提高了資料速率,但其覆蓋範圍卻縮小了,且手機基地台的覆蓋範圍開始降到以平方公尺為單位計算。預計5G的覆蓋範圍可能縮小一半,這也是為何電信業者會要求將基地台數量增加4倍多,以改善其覆蓋的問題。在人口密集的市區尋找安置基地台的空間成本較高,這意味著推出5G基礎設施的開銷龐大。而與此同時許多業者的4G投資還尚未回本。

儘管情況會隨著國家和手機業者財務結構的不同而有所差異,但本文認為如果想要留住渴望獲得更高資料速率的消費者和企業客戶,就必須提高資料速率,尤其是在人口密集的環境中,需執照頻譜的使用比免照頻段的使用更好控制。

所以,誰將在競爭中取勝?老實說,兩者間根本不應該採取競爭。5GWi-Fi都有其獨特性,有益於將「電腦」(包括可分類到這一項下的所有設備)連接至網際網路。因此,業者如果能夠充分利用這兩項技術的優勢,並定義與執行同時使用這兩項技術的策略,就能在市場中取勝。從這個角度來看,這些技術競爭的最終贏家將會是最終使用者。

(本文作者為Qorvo無線連接業務部總經理)

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