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Qorvo白皮書:5G還是.11ax?
日期:2018-06-08 11:01:19   作者:
5G,還是.11ax?
作者:Cees Links,Qorvo無線連接業務部總經理


您是否曾經疑惑為什么手機中設有三個無線電(LTE、Wi-Fi和藍牙),而平板電腦和電腦中通常都只有兩個(Wi-Fi和藍牙)?進一步講,為什么您會知道Wi-Fi、藍牙和LTE這些名稱?5G或Zigbee呢?

當無線數據通信技術和標準仍在繼續發展的同時,新的標準和專有技術(如Zigbee)也開始引起人們的注意。我們如何區分噪聲和真正重要的信息?消費者是否應該關心這些?圖1(如下所示)展示了在我們日常生活中發揮作用的各種無線技術。


雖然存在各種各樣的營銷言論,但從大局出發并了解發展趨勢相對比較容易。而且通常情況下它會提醒我們,我們是如何取得今天的成就。目前,只有三個因素比無線電技術更重要,而且我們在日常生活中也都遇到過。這三個因素就是覆蓋范圍、數據速率和功率。
(1)當我們的手機連接至基站(或與基站斷開連接)時,或我們的筆記本電腦連接至家中路由器時,或我們的耳機連接至手機時,我們都會遇到覆蓋范圍問題。如果設備“在覆蓋范圍之外”,我們憑經驗就能知道會發生什么。
(2)我們還非常熟悉數據速率,尤其是在我們觀看視頻或聽音樂的時候。迄今為止,Wi-Fi在數據速率領域一直占據著至高無上的地位,但我們已經能夠利用LTE和5G實現類似的數據速率,盡管價格可能會更高。
(3)最后,盡管我們已經習慣定期對手機和筆記本電腦進行充電,但在那些令人煩心的時刻,即當我們準備使用耳機或 智能腕帶等小型設備,結果發現它們沒電的那一刻,我們才會記起功耗的重要性。

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,另外兩個因素就必須讓路。當然,隨著時間的推移這三者已經實現了整體改進,但是相互之間的關系仍未發生改變。

例如,如果您想要提高數據速率,那么您必須縮小覆蓋范圍或提高輸出功率。目前速度(數據速率)更高的Wi-Fi卻擁有比過去更小的覆蓋范圍,而且通常都需要使用中繼器——這是分布式Wi-Fi或網格Wi-Fi發展的推動因素之一。這種關系同樣適用于Zigbee(“低功耗Wi-Fi”)。實質上,Zigbee的覆蓋范圍和Wi-Fi一樣,數據速率也較低,但其功耗卻明顯更低,因此可實現非常長的電池續航時間。

這種平衡局面中還存在第四種因素,同樣基于物理定律,而且我們在日常生活中可能很少意識到這點。這個因素就是頻率。更高的頻率會縮小覆蓋范圍,或要求更高功率來實現相同的覆蓋范圍。但是更高頻率具有更多帶寬的優勢,因此可實現更高的數據速率。這說明了為什么提高數據速率往往“需要”提高頻率。Wi-Fi的最新版本都是在60GHz頻段中實現的,目標是實現高達100Gb/s的數據速率(.11ay)。


回到手機和筆記本電腦中的無線電技術


顯然,對于無線電技術我們有很多內容可以說,但在很大程度上,這些參數就是在手機中采用三種無線電的原因。一種無線電(LTE)用于實現覆蓋范圍,以連接至離您小區最近的基站;一種無線電(Wi-Fi)用于實現家中或辦公室中的連接性能;最后一種無線電(藍牙)則用于實現短程連接至您隨身攜帶的小型設備,如手機耳機或 智能腕帶。

那么,為什么筆記本電腦和平板電腦通常只采用兩種無線電呢?雖然存在一個合乎邏輯的答案,但我們還必須了解一點歷史知識。

在相對較短的時間里,我們已經了解了三種新技術的發展和趨同:
(1)手機,通過低速數據通信的方式遠程連接我們。
(2)無線電/電視,通過有線或衛星運營商采用單向高速數據通信的方式進行音頻/ 視頻廣播。
(3)電腦,包括將所有事物聯系在一起的雙向高速網絡。所有的通信最初都是通過有線電纜(銅或光纖)實現,但是隨著無線便利性的體現,無線通信開始流行起來。
隨著技術的進步,手機、電視、筆記本和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“聯網電腦”,但是仍擁有各自的無線通信標準歷史,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,但是由于電視基本上是靜態(非移動)設備,有線/ 衛星行業大部分時間都停留在自己的有線世界之中。

隨著手機變得更類似于電腦(即智能手機),以及電腦開始支持各種類似于視頻和手機的通信能力,過去和目前發展的聯網技術有時候會存在矛盾,這點并不奇怪。


不同的聯網技術標準——發展截然不同


3GPP是當今的無線手機通信標準化機構;而IEEE 802.11則是無線電腦數據通信的標準化機構。3GPP主要由手機運營商及其政府贊助部門組成,因為運營商最初都是政府機構。(在一些國家,運營商目前仍是政府機構。)IEEE802.11在計算機行業根深蒂固。除了學術界和監管機構,IEEE 802.11還擁有大批工程師會員,他們大部分由其雇主公司贊助。

IEEE 802.11和3GPP還具有另一個根本性區別。政府贊助的3GPP采用許可頻譜——可在一定時間內獲得,用于提供通信服務。作為頻譜許可方,政府負責確保頻譜只能由被許可人使用。但IEEE 802.11卻并非如此。該標準化機構根據一組權限有限的規則制定了“無牌”頻帶(由政府撥出用于“免費使用”的頻段)領域適用的標準,這樣實際應用的干擾范圍停留在局部。這些頻段被稱為ISM(工業、科學及醫學)頻段,并可在2、5和60GHz頻段范圍內找到。

贊助其工程師制定IEEE 802.11標準的公司需要強制遵守IEEE 802.11標準定義。(IEEE 802.11本身并不對合規性進行監管。)所以,這些感興趣的公司成立了一個Wi-Fi聯盟,以便在Wi-Fi品牌下強制執行和推廣IEEE 802.11標準——毫不夸張的說,Wi-Fi品牌是當今最有價值的品牌之一。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略。

3GPP這樣做是有道理的,因為它是運營商組成的利益集團,通常對市場具有一定的掌控力。它們從不需要像Wi-Fi和藍牙那樣去贏得消費者的支持。所以,它們無需擔憂品牌一致性問題,只需將一整套不斷完善的標準從GSM/GPRS遷移至3G、Edge、4G、LTE以及現在的5G,而這種遷移可能涉及一系列新的實施。


Wi-Fi的競爭與成功,以及電腦有兩個無線電的原因


20世紀90年代出現Wi-Fi時,“3GPP領域”普遍都在問:為什么需要Wi-Fi?那時,3G標準化進展順利并承諾實現高數據速率,而連接至或集成至筆記本電腦的3G調制解調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,“無牌技術”遲早會消失,因為在無牌頻帶中,缺乏監管會導致性能呈螺旋形迅速下降。

當然,如今我們都知道結果截然不同。Wi-Fi已經找到了一種方法使其能夠在無牌ISM頻段中適當運行,并滿足室內、家中或建筑中的無線連接需求,而3G卻不具備良好的穿透性能。通過從2.4GHz頻段發展到5GHz頻段,Wi-Fi可迅速提高其數據速率,并擴展其能力。此外,通過發展至60GHz頻段,其數據速率和能力預計將進一步提高。

増程器技術以及最近的分布式Wi-Fi(“Wi-Fi網格”)理念亦為Wi-Fi迄今為止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就是通過3G實現的數據通信要求手機運營商訂閱付費服務,并需要一個初期成本非常高的數據計劃,更不必說漫游費用。相比之下,Wi-Fi是免費的——或至少,通過固定電話、ISDN和之后的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運營商與無線運營商直接競爭的局面,最終推動Wi-Fi獲得了全球認可。由于擔心如果“過度使用”3G技術進行數據通信會導致語音服務崩潰,無線運營商最初不鼓勵使用3G技術(因而鼓勵使用 Wi-Fi),從而為Wi-Fi的推廣做出了貢獻。盡管3G實際上被設計用于語音通信,但通過將3G營銷為具有數據元素,3G支持者在這方面并未幫助到自己。

順便說一下,這回答了為什么大多數電腦和平板電腦只有兩種無線電這個問題。由于Wi-Fi可實現經濟高效的多功能網絡連接,所以很少將3G許可無線電(及其后繼者)集成到電腦或平板電腦中。集成式3G無線電的成本相對來說太高。當需要移動解決方案時,用戶過去一直會轉向3G軟件狗之類的設備,而現在用戶通常會使用手機熱點。


Wi-Fi與藍牙(現在還有Zigbee)


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。一些手機行業的供應商(特別是愛立信和諾基亞)發現了ISM頻段的另一種用途——在連接熱點下載信息以及在將無線耳機和其他設備連接至手機時,用于提高手機連接性。為創建一個針對手機連接性的標準,藍牙SIG(特別興趣小組)由此成立,小組成員均為公司(與IEEE802.11的工程師成員相反)。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。

同樣,沒過多久。幾年后,人們發現Wi-Fi和藍牙擁有各自確定的應用領域,即Wi-Fi用于“聯網”,藍牙用于“外圍設備連接”。自那以后,許多設備都開始采用Wi-Fi和藍牙——Wi-Fi用于實現高速聯網,而藍牙用于連接設備。曾經有一段時間,有人試圖使藍牙成為IEEE的一部分,但是組織和成員差異性讓兩者無法相融。

有趣的是,兩者之間的后續較量如今正在進行中。Wi-Fi的低功耗版本Zigbee(基于IEEE 802.15.4)正受到來自藍牙的低功耗版本BLE(藍牙低功耗)的威脅。藍牙SIG正在開發一種聯網版本(Bluetooth Mesh),計劃與Zigbee展開競爭。然而,早期提案表明,實現Zigbee中已經可用的功能似乎需要大幅提高BLE的復雜性。讓我們拭目以待。


頻譜可用性


通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3(如下所示)粗略地顯示了所涉及的主要技術和頻段。2019年世界無線電通信大會上,預計會對Wi-Fi和5G進行全新分配,以支持無線數據通信不斷增長的需求。頻譜可用性和使用狀況的具體細節超出了本文的范圍。


手機運營商和Wi-Fi…合作?


也許有人會認為,3G與Wi-Fi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、辦公室),而3G可用于任何地方。但事實并非如此。最初 3GPP 的手機運營商自然非常懷疑所謂“熱點”的發展,人們在公共區域能夠使用高速互聯網,且無需訂閱服務。對于手機運營商來說幸運的是,事實表明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酒店、城市、火車等地方。公共熱點公司已經逐漸被手機運營商吞并,而且手機運營商還開始進一步采用Wi-Fi技術,并了解到“無牌”并非聽起來那么糟糕。運營商甚至還制定了使用公共熱點和私有路由器來“減負”的戰略。換句話說,就是使用Wi-Fi連接的熱點提供傳統的手機服務。

與此同時,消費者和公司了解到運行Wi-Fi網絡將變得更加復雜,且手機運營商(最近還包括有線運營商)開始發現私有Wi-Fi網絡是它們的商機,可幫助消費者和小型公司運行其Wi-Fi網絡。

最后,隨著數據流量的快速增長,尤其是通過視頻應用程序(如YouTube)的數據流量增長,運營商需要加大容量。但是,獲得更多頻段并非易事。除了利用Wi-Fi,實現這一容量的更快捷方法就是認識到,3G、4G或LTE技術的后繼技術也能夠在ISM頻段中運行。這種認識產生了LTE-LAA(LTE-許可輔助訪問)概念。3GPP規范允許在同一個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,但是對于LTE-LAA是否會受歡迎,我們將拭目以待。


那么,目前正在發生什么以及未來將會發生什么?


基于對這一歷史背景的了解,我們可以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版本(.11n和.11ac),且正在完成 .11ax。與此同時,3GPP開始在4G/LTE基礎上繼續前進,并大力投資5G技術。(說句題外話,Wi-Fi聯盟在營銷方面表現出色,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,明確不同代的技術,并制造阻礙順利遷移的各種混亂。)

無論如何,如今(再次)討論哪項技術將勝出完全在意料之中。5G還是IEEE 802.11ax ?兩者都可實現較高的數據速率(Gb/s),兩者都將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聲稱有“方法提高室內穿透性”,而 .11ax的口號則是“5G已經到來,名為 .11ax”。

雖然隨著數據速率的提升,覆蓋范圍肯定會縮小,但IEEE 802.11ax已經制定出了一條清晰的行動計劃。有趣的是,通過將這個全新的IEEE 802.11ax標準集中用于分布式Wi-Fi(Wi-Fi網格)上,并同時啟用多個信道以便將不同房間的多個接入點連接至主路由器,Wi-Fi已經將這一劣勢轉變為優勢。IEEE 802.11ax關注的焦點是完全的室內覆蓋——家里或辦公樓的每個角落和縫隙都可實現同樣的高數據速率,打造一種不容易被5G替代的體驗。(為免這種體驗聽起來令人難以置信,IEEE 802.11ax最終成為一個非常難以實現的標準,且其實現時間又被推遲了6個月,預計將于2019年年初獲批。)

然而,5G正面臨著其獨有的嚴峻挑戰,包括延遲。盡管5G提高了數據速率,但其覆蓋范圍卻縮小了,且手機基站的覆蓋范圍開始“按平米計算”。預計5G的覆蓋范圍可能縮小不到一半,這就要求基站數量增加4倍多。在人口密集的市區尋找安置基站的空間成本較高,這意味著推出5G基礎設施的開銷巨大,與此同時許多運營商的4G投資尚未回本。

盡管情況會隨著國家和手機運營商財務結構的不同而有所差異,但我們認為如果想要留住渴望獲得更高數據速率的消費者和企業客戶,就需要提高數據速率,尤其是在人口密集的環境中,許可頻譜的使用比無牌頻帶的使用更好控制。所以,對進一步開發和改進5G技術的投資仍在繼續,且計劃于2018年年初(韓國冬奧會前后)進行首次試驗。


結論


那么,誰將在競爭中取勝?老實說,甚至都不應該有競爭。5G和Wi-Fi都有非常特別的特性,有益于將“電腦”(包括可分類到這一項下的所有設備)連接至互聯網。所以,運營商如果能夠充分利用這兩項技術的優勢,并定義和執行同時利用這兩項技術的戰略,就能在競爭中取勝。從這個角度來看,這些技術競爭的最終贏家將會是最終用戶。

關于作者
Cees Links是GreenPeak Technologies的創始人和原首席執行官,該公司現在已經成為Qorvo的一部分。在其任職期間,公司開發出了首個無線LAN,該技術最終成為家喻戶曉的技術,集成到個人電腦和筆記本電腦之中。他還率先開發了接入點、家庭組網路由器和熱點基站。他參與了IEEE 802.11標準化委員會和Wi-Fi聯盟的籌建工作。另外,他還在IEEE 802.15標準化委員會的組建中發揮了重要作用,該標準后來成為ZigBee傳感和控制網絡的基礎。自GreenPeak被Qorvo收購以來,Cees一直在Qorvo無線連接業務部擔任總經理一職。作為Wi-Fi技術先鋒,他最近榮獲了Golden Mousetrap終身成就獎。

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