20年未決勝負 無線通信現(xiàn)今和未來

為什么手機中會設置LTE、Wi-Fi及藍牙三種無線通信裝置，而平板計算機和計算機中通常都只有Wi-Fi和藍牙兩種？又為什么人們會熟悉Wi-Fi、藍牙和LTE這些名稱？那5G或ZigBee呢？

在無線通信技術與標準持續(xù)發(fā)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(qū)分雜音與真正重要的信息，而市場又應該關注哪些無線技術議題呢(圖1)？

覆蓋范圍/數(shù)據(jù)速率/功耗

雖然市面上存在各式的營銷言論，但從大格局與大方向來觀察無線網(wǎng)絡通訊的發(fā)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(xiàn)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，即覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率以及功耗。

圖1 無線數(shù)據(jù)傳輸通訊技術

手機連接至基地臺、筆記本電腦連接至家中路由器或無線耳機連接至手機時，都會遇到覆蓋范圍問題。大部分的人對于數(shù)據(jù)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在數(shù)據(jù)速率上還是居于領先的地位，盡管目前已經(jīng)能夠利用LTE和5G實現(xiàn)相當?shù)臄?shù)據(jù)速率，但價格卻也可能更高。而多數(shù)人都已經(jīng)習慣定期為手機和筆記本電腦充電，但在正要使用耳機或智能手表等小型設備卻發(fā)現(xiàn)它們沒電時，仍會發(fā)現(xiàn)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，若要提高數(shù)據(jù)速率，必須縮小覆蓋范圍或提高輸出功率。目前已發(fā)展出數(shù)據(jù)速率較高的Wi-Fi，但覆蓋范圍卻比過去還要小，通常都須使用中繼器，這也是驅(qū)動分布式(網(wǎng)狀)Wi-Fi發(fā)展的因素之一。ZigBee亦是如此，ZigBee的覆蓋范圍和Wi-Fi一樣，雖然數(shù)據(jù)速率較低，但功耗也更低，因此可實現(xiàn)非常長的電池續(xù)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范圍，或需要更高的功率來實現(xiàn)相同的覆蓋范圍。但是更高頻率也會具有更多帶寬優(yōu)勢，因此可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。這說明了為什么提高數(shù)據(jù)速率往往必須提高頻率。Wi-Fi的最新版本802.11ay就是在60GHz頻段進行數(shù)據(jù)傳輸，目標是實現(xiàn)高達100Gbps的數(shù)據(jù)速率。

手機/筆記本電腦無線電技術

顯然，對于無線電技術我們有很多內(nèi)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用于實現(xiàn)覆蓋范圍，以連接至最近的基地臺；Wi-Fi用于實現(xiàn)家中或辦公室中的連接性能；藍牙則用于實現(xiàn)短程連接至隨身攜帶的小型設備，如手機耳機或智慧手表。那么，為什么筆記本電腦和平板計算機通常只采用兩種無線裝置呢？雖然存在一個合乎邏輯的答案，但我們還必須了解一些背后的歷史意義。

歷史簡介：技術參與者

我們已經(jīng)了解了三種新技術的發(fā)展和趨勢：1. 手機：透過低速數(shù)據(jù)通訊的方式遠程連結彼此。2. 無線廣播/電視：透過有線或衛(wèi)星業(yè)者采用單向高速數(shù)據(jù)通訊的方式進行音頻/影像廣播。3. 計算機：包括將所有事物聯(lián)系在一起的雙向高速網(wǎng)絡，所有的通訊最初都是透過有線電纜(銅線或光纖)實現(xiàn)，但是隨著無線便利性的體現(xiàn)，無線通信開始流行起來。隨著技術的進步，手機、電視、筆記本電腦以及平板計算機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(lián)網(wǎng)設備”，但是它們?nèi)該碛懈髯缘臒o線通信標準史，因為它們都各自經(jīng)歷了從有線到無線技術的過渡。手機和計算機的發(fā)展更具動態(tài)性，而電視因為屬于固定(非移動)設備，有線/衛(wèi)星業(yè)大部分仍停留在有線世界之中。隨著手機功能變得更類似于計算機(即智能手機)，以及計算機開始支持各種類似于視訊和手機的通訊能力，過去和目前發(fā)展的聯(lián)網(wǎng)技術有時候會存在矛盾，那就不令人意外了。

聯(lián)網(wǎng)技術標準發(fā)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則是無線計算機數(shù)據(jù)通訊的標準化機構。3GPP主要由手機業(yè)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在計算機行業(yè)根深蒂固，除了學術界和監(jiān)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 802.11和3GPP還具有另一個根本性區(qū)別。政府贊助的3GPP采用許可頻譜，可在一定時間內(nèi)使用，并用于提供通訊服務，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卻并非如此，該機構根據(jù)一組權限有限的規(guī)則制定了免執(zhí)照頻段領域適用的標準，其實際應用的干擾區(qū)停留在特定范圍內(nèi)。這些頻段被稱為工業(yè)、科學與醫(yī)學(ISM)頻段，并可在2GHz、5GHz和60GHz頻段范圍內(nèi)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本身并不對其規(guī)格兼容性與一致性進行監(jiān)管。所以，這些感興趣的公司成立了一個Wi-Fi聯(lián)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從未真正地致力于實施一個針對消費者的具有凝聚力的品牌戰(zhàn)略。3GPP這樣做是有道理的，因為它是業(yè)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3G、Edge、4G、LTE以及現(xiàn)在的5G，而這種規(guī)格的改進與變革可能涉及一系列新的部署。

Wi-Fi實現(xiàn)高效網(wǎng)絡連接計算機無使用3G必要

20世紀90年代出現(xiàn)Wi-Fi時，3GPP的死忠支持者普遍都在問：為什么需要Wi-Fi？當時3G標準化進展順利，并承諾實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，而連接或整合至筆記本電腦的3G調(diào)制解調(diào)器可提供無所不在的連接。那么為什么要使用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(jiān)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(jīng)找到了一種方法使其能夠在免照ISM頻段中適當運行，并滿足室內(nèi)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(fā)展到5GHz頻段，Wi-Fi可迅速提高其數(shù)據(jù)速率，并擴展其通訊能力。此外，透過發(fā)展至60GHz頻段，其數(shù)據(jù)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布式Wi-Fi理念亦為Wi-Fi取得的成功提供了支持。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(yè)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，更不必提漫游費用。相較之下，Wi-Fi是免費的；或者說，至少透過固定電話、ISDN與之后的ADSL實現(xiàn)的Wi-Fi技術增量成本比較有限。所以現(xiàn)在出現(xiàn)了有線業(yè)者與無線業(yè)者直接競爭的局面，最終推動Wi-Fi獲得了全球認可。由于擔心過度使用3G技術進行數(shù)據(jù)通訊會導致語音服務崩潰，無線業(yè)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。這回答了為什么大多數(shù)計算機和平板計算機只有兩種無線傳輸設備這個問題。由于Wi-Fi可實現(xiàn)經(jīng)濟高效的多功能網(wǎng)絡連接，所以很少將使用3G許可頻段無線通信設備整合到計算機或平板計算機中。整合式3G無線通信方案的成本與Wi-Fi比較相對來說太高。當需要移動解決方案時，使用者過去多會轉向3G連接裝置(Dongle)之類的設備，而現(xiàn)在使用者通常會使用手機熱點來實現(xiàn)。

Wi-Fi/藍牙/ZigBee相互競逐

當Wi-Fi與3G之間的競爭逐漸明朗時，另一場較量也開始出現(xiàn)。一些手機廠(如愛立信與諾基亞)發(fā)現(xiàn)了ISM頻段的另一種用途：可以利用ISM頻段，當連接熱點下載信息或?qū)o線耳機和其他設備連接至手機時，用以提高手機連接性。為創(chuàng)建一個針對手機連接性的標準，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是多余的，并向市場宣布Wi-Fi很快就會消失。幾年后，人們發(fā)現(xiàn)Wi-Fi和藍牙擁有各自確定的應用領域，即Wi-Fi用于聯(lián)網(wǎng)，藍牙用于接口設備連接。此后許多設備都開始采用Wi-Fi和藍牙，Wi-Fi用以實現(xiàn)高速聯(lián)網(wǎng)，而藍牙用以連接設備。曾經(jīng)有一段時間，有人試圖使藍牙成為IEEE的一部分，但是由于組織和成員之間的差異性讓兩者無法兼容。有趣的是，兩者之間的后續(xù)較量如今還持續(xù)在進行中。Wi-Fi(基于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(fā)藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(Bluetooth Mesh)，與ZigBee展開競爭。然而，早期提案表明，若BLE要實現(xiàn)ZigBee現(xiàn)有的功能，將會大幅增加BLE設計的復雜性。

頻譜可用性

透過增加全球監(jiān)管當局提供的無線電頻譜數(shù)量，這些無線電技術的發(fā)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-Fi和5G進行全新分配，以支持無線數(shù)據(jù)通訊不斷增長的需求。頻譜可用性和使用狀況的具體細節(jié)則不在本文所要談論的范圍內(nèi)。

手機電信業(yè)與Wi-Fi合作

也許有人會認為，3G與Wi-Fi經(jīng)過激烈競爭之后，兩種技術之間的界限就會清楚：Wi-Fi用于私人空間(家庭、辦公室)，而3G可用于任何地方。但事實并非如此。最初3GPP的手機電信業(yè)者皆懷疑熱點(Hotspot)的發(fā)展，亦即讓人們在公共區(qū)域能夠使用高速互聯(lián)網(wǎng)，且無須付費月租。

圖2 無線通信技術中可用的頻段和預期分配的頻段

而對于手機電信業(yè)者來說值得慶幸的是，經(jīng)過實際的運作發(fā)現(xiàn)，要運行大量熱點并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(jīng)逐漸被手機電信業(yè)者并吞，而手機電信業(yè)者開始進一步采用Wi-Fi技術，并了解到免牌照頻段并非如想象中那樣糟糕。業(yè)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(tǒng)的手機電信服務。與此同時，消費者和企業(yè)了解到運行Wi-Fi網(wǎng)絡將變得更加復雜，且手機業(yè)者以及有線業(yè)者開始發(fā)現(xiàn)私有Wi-Fi網(wǎng)絡蘊藏商機，其可以協(xié)助消費者與小型企業(yè)運行其所擁有的私有Wi-Fi網(wǎng)絡。隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長，尤其是透過影音應用程序(如YouTube)的數(shù)據(jù)流量增長，業(yè)者須要加大網(wǎng)絡傳流量。但是，獲得更多頻段并非易事。除了善用Wi-Fi，實現(xiàn)這一容量的更快捷方法就是讓3G、4G或LTE技術的后繼技術也能在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(fā)展。3GPP規(guī)范允許在同個5GHz頻譜中使用Wi-Fi和LTE-LAA。首款LTE-LAA裝置目前正在計劃階段，但是LTE-LAA是否會受歡迎，仍有待觀察。

圖3 無線技術的頻譜可用性發(fā)展

基于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(xiàn)更高速的版本(802.11n和802.11ac)，而802.11ax的發(fā)展也正在逐步完成中。與此同時，3GPP開始在4G/LTE基礎上繼續(xù)前進，并大力投資5G技術。Wi-Fi聯(lián)盟在營銷方面表現(xiàn)出色，它們把所有東西都稱為高速Wi-Fi；而3GPP則繼續(xù)以技術為驅(qū)動力，明確定義5G與Wi-Fi為不同世代的技術，進而產(chǎn)生其差異性并制造難題來阻礙5G與Wi-Fi未來整合的可能性。

無線通信現(xiàn)今和未來

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(xiàn)高數(shù)據(jù)速率(Gbps)，兩者都須消耗大量功率以獲得良好的覆蓋范圍，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(nèi)穿透性"，而802.11ax的口號則是“802.11ax將會實現(xiàn)5G所規(guī)畫的愿景與用戶的期待”。雖然隨著數(shù)據(jù)速率的提升，覆蓋范圍肯定會縮小，但IEEE 802.11ax已經(jīng)制定出了一個清晰的行動計劃來解決這個難題。有趣的是，這個原本屬于Wi-Fi的劣勢如今卻因為分布式Wi-Fi網(wǎng)絡架構的發(fā)展，而將這一劣勢轉變?yōu)槠浔旧淼膬?yōu)勢。其解決方案則是利用全新的IEEE 802.11ax標準有效地集中用于分布式Wi-Fi系統(tǒng)，并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(nèi)覆蓋，家里或辦公大樓的每個角落和縫隙都可實現(xiàn)同樣的高數(shù)據(jù)速率，打造出一種不容易被5G替代的體驗。為了實現(xiàn)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?shù)膹碗s且繁復，而其標準規(guī)格落實的時間也因而又延遲了6個月，預計將于2019年年初獲得批準。然而，5G正面臨著其獨有的嚴峻挑戰(zhàn)，其中包括延遲的問題。盡管5G提高了數(shù)據(jù)速率，但其覆蓋范圍卻縮小了，且手機基地臺的覆蓋范圍開始降到以平方公尺為單位計算。預計5G的覆蓋范圍可能縮小一半，這也是為何電信業(yè)者會要求將基地臺數(shù)量增加4倍多，以改善其覆蓋的問題。在人口密集的市區(qū)尋找安置基地臺的空間成本較高，這意味著推出5G基礎設施的開銷龐大。而與此同時許多業(yè)者的4G投資還尚未回本。盡管情況會隨著國家和手機業(yè)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數(shù)據(jù)速率的消費者和企業(yè)客戶，就必須提高數(shù)據(jù)速率，尤其是在人口密集的環(huán)境中，需執(zhí)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，兩者間根本不應該采取競爭。5G與Wi-Fi都有其獨特性，有益于將“計算機”(包括可分類到這一項下的所有設備)連接至互聯(lián)網(wǎng)。因此，業(yè)者如果能夠充分利用這兩項技術的優(yōu)勢，并定義與執(zhí)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。