無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通訊技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)與同行

為什么手機(jī)中會(huì)設(shè)置LTE、Wi-Fi及藍(lán)牙三種無(wú)線通信裝置，而平板計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)中通常都只有Wi-Fi和藍(lán)牙兩種?又為什么人們會(huì)熟悉Wi-Fi、藍(lán)牙和LTE這些名稱?那5G或ZigBee呢?

在無(wú)線通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，新的標(biāo)準(zhǔn)與專有技術(shù)(如ZigBee)也開始受到關(guān)注。該如何區(qū)分雜音與真正重要的信息，而市場(chǎng)又應(yīng)該關(guān)注哪些無(wú)線技術(shù)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(yíng)銷言論，但從大格局與大方向來(lái)觀察無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)比較容易，同時(shí)這也能提醒人們，無(wú)線技術(shù)是如何取得現(xiàn)今的成就。在無(wú)線電技術(shù)中，有三個(gè)因素最為重要且與日常生活息息相關(guān)，即覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率以及功耗。

圖1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通訊技術(shù)

手機(jī)連接至基地臺(tái)、筆記本電腦連接至家中路由器或無(wú)線耳機(jī)連接至手機(jī)時(shí)，都會(huì)遇到覆蓋范圍問(wèn)題。大部分的人對(duì)于數(shù)據(jù)速率特別有感受，尤其是在觀看影片或聽音樂(lè)的時(shí)候。迄今，Wi-Fi在數(shù)據(jù)速率上還是居于領(lǐng)先的地位，盡管目前已經(jīng)能夠利用LTE和5G實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)速率，但價(jià)格卻也可能更高。而多數(shù)人都已經(jīng)習(xí)慣定期為手機(jī)和筆記本電腦充電，但在正要使用耳機(jī)或智能手表等小型設(shè)備卻發(fā)現(xiàn)它們沒(méi)電時(shí)，仍會(huì)發(fā)現(xiàn)到功耗的重要性。

這三個(gè)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(jìn)其中一個(gè)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(guò)去還要小，通常都須使用中繼器，這也是驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)非常長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

另外，其實(shí)還存在第四個(gè)因素，不過(guò)人們可能很少意識(shí)到。這個(gè)因素是頻率，更高的頻率會(huì)縮小覆蓋范圍，或需要更高的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的覆蓋范圍。但是更高頻率也會(huì)具有更多帶寬優(yōu)勢(shì)，因此可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。這說(shuō)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Gbps的數(shù)據(jù)速率。

手機(jī)/筆記本電腦無(wú)線電技術(shù)

顯然，對(duì)于無(wú)線電技術(shù)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(jī)中配置三種無(wú)線技術(shù)的原因。LTE用于實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍，以連接至最近的基地臺(tái);Wi-Fi用于實(shí)現(xiàn)家中或辦公室中的連接性能;藍(lán)牙則用于實(shí)現(xiàn)短程連接至隨身攜帶的小型設(shè)備，如手機(jī)耳機(jī)或智慧手表。

那么，為什么筆記本電腦和平板計(jì)算機(jī)通常只采用兩種無(wú)線裝置呢?雖然存在一個(gè)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(jiǎn)介：技術(shù)參與者

我們已經(jīng)了解了三種新技術(shù)的發(fā)展和趨勢(shì)：

1. 手機(jī)：透過(guò)低速數(shù)據(jù)通訊的方式遠(yuǎn)程連結(jié)彼此。

2. 無(wú)線廣播/電視：透過(guò)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(jìn)行音頻/影像廣播。

3. 計(jì)算機(jī)：包括將所有事物聯(lián)系在一起的雙向高速網(wǎng)絡(luò)，所有的通訊最初都是透過(guò)有線電纜(銅線或光纖)實(shí)現(xiàn)，但是隨著無(wú)線便利性的體現(xiàn)，無(wú)線通信開始流行起來(lái)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，手機(jī)、電視、筆記本電腦以及平板計(jì)算機(jī)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(shè)備”，但是它們?nèi)該碛懈髯缘臒o(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)史，因?yàn)樗鼈兌几髯越?jīng)歷了從有線到無(wú)線技術(shù)的過(guò)渡。手機(jī)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展更具動(dòng)態(tài)性，而電視因?yàn)閷儆诠潭?非移動(dòng))設(shè)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(jī)功能變得更類似于計(jì)算機(jī)(即智能手機(jī))，以及計(jì)算機(jī)開始支持各種類似于視訊和手機(jī)的通訊能力，過(guò)去和目前發(fā)展的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有時(shí)候會(huì)存在矛盾，那就不令人意外了。

聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展截然不同

3GPP是當(dāng)今的無(wú)線手機(jī)通訊標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，而IEEE 802.11則是無(wú)線計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通訊的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。3GPP主要由手機(jī)業(yè)者及其政府贊助部門組成，因?yàn)闋I(yíng)運(yùn)商最初都是政府機(jī)構(gòu)(部分國(guó)家營(yíng)運(yùn)者目前仍是政府機(jī)構(gòu))。IEEE 802.11在計(jì)算機(jī)行業(yè)根深蒂固，除了學(xué)術(shù)界和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，IEEE 802.11還擁有大批工程師會(huì)員，其大部分由雇主公司贊助。

IEEE 802.11和3GPP還具有另一個(gè)根本性區(qū)別。政府贊助的3GPP采用許可頻譜，可在一定時(shí)間內(nèi)使用，并用于提供通訊服務(wù)，作為頻譜許可方，政府負(fù)責(zé)確保頻譜只被許可人使用。但I(xiàn)EEE 802.11卻并非如此，該機(jī)構(gòu)根據(jù)一組權(quán)限有限的規(guī)則制定了免執(zhí)照頻段領(lǐng)域適用的標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)際應(yīng)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(xué)與醫(yī)學(xué)(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(biāo)準(zhǔn)的公司須強(qiáng)制遵守IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義。IEEE 802.11本身并不對(duì)其規(guī)格兼容性與一致性進(jìn)行監(jiān)管。所以，這些感興趣的公司成立了一個(gè)Wi-Fi聯(lián)盟，以便在Wi-Fi品牌下共同遵守和推廣IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，3GPP從未真正地致力于實(shí)施一個(gè)針對(duì)消費(fèi)者的具有凝聚力的品牌戰(zhàn)略。3GPP這樣做是有道理的，因?yàn)樗菢I(yè)者組成的利益集團(tuán)，通常對(duì)市場(chǎng)具有一定的掌控力。它們不須像Wi-Fi和藍(lán)牙那樣去贏得消費(fèi)者的支持與背書。所以，它們無(wú)須擔(dān)憂品牌一致性問(wèn)題，只須將一整套不斷完善的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)與變革可能涉及一系列新的部署。

Wi-Fi實(shí)現(xiàn)高效網(wǎng)絡(luò)連接　計(jì)算機(jī)無(wú)使用3G必要

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)Wi-Fi時(shí)，3GPP的死忠支持者普遍都在問(wèn)：為什么需要Wi-Fi?當(dāng)時(shí)3G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展順利，并承諾實(shí)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(wú)所不在的連接。那么為什么要使用Wi-Fi呢?人們普遍認(rèn)為，免照的通訊技術(shù)遲早會(huì)消失，因?yàn)樵诿庹疹l段中缺乏監(jiān)管，會(huì)導(dǎo)致性能呈螺旋形迅速下降。

當(dāng)然，如今我們都知道結(jié)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(dāng)運(yùn)行，并滿足室內(nèi)的無(wú)線連接需求，而3G卻不具備良好的穿透性能。透過(guò)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(kuò)展其通訊能力。此外，透過(guò)發(fā)展至60GHz頻段，其數(shù)據(jù)速率和能力預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提高。截至目前為止，無(wú)線訊號(hào)擴(kuò)展器技術(shù)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(gè)很重要的原因是3G通訊必須與電信業(yè)者綁定月租付費(fèi)服務(wù)，以及一個(gè)初期成本非常高的通話方案，更不必提漫游費(fèi)用。相較之下，Wi-Fi是免費(fèi)的;或者說(shuō)，至少透過(guò)固定電話、ISDN與之后的ADSL實(shí)現(xiàn)的Wi-Fi技術(shù)增量成本比較有限。

所以現(xiàn)在出現(xiàn)了有線業(yè)者與無(wú)線業(yè)者直接競(jìng)爭(zhēng)的局面，最終推動(dòng)Wi-Fi獲得了全球認(rèn)可。由于擔(dān)心過(guò)度使用3G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音服務(wù)崩潰，無(wú)線業(yè)者最初不鼓勵(lì)使用3G技術(shù)，而鼓勵(lì)使用Wi-Fi，也因而促進(jìn)Wi-Fi的使用率。

這回答了為什么大多數(shù)計(jì)算機(jī)和平板計(jì)算機(jī)只有兩種無(wú)線傳輸設(shè)備這個(gè)問(wèn)題。由于Wi-Fi可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的多功能網(wǎng)絡(luò)連接，所以很少將使用3G許可頻段無(wú)線通信設(shè)備整合到計(jì)算機(jī)或平板計(jì)算機(jī)中。整合式3G無(wú)線通信方案的成本與Wi-Fi比較相對(duì)來(lái)說(shuō)太高。當(dāng)需要移動(dòng)解決方案時(shí)，使用者過(guò)去多會(huì)轉(zhuǎn)向3G連接裝置(Dongle)之類的設(shè)備，而現(xiàn)在使用者通常會(huì)使用手機(jī)熱點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Wi-Fi/藍(lán)牙/ZigBee相互競(jìng)逐

當(dāng)Wi-Fi與3G之間的競(jìng)爭(zhēng)逐漸明朗時(shí)，另一場(chǎng)較量也開始出現(xiàn)。一些手機(jī)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(dāng)連接熱點(diǎn)下載信息或?qū)o(wú)線耳機(jī)和其他設(shè)備連接至手機(jī)時(shí)，用以提高手機(jī)連接性。為創(chuàng)建一個(gè)針對(duì)手機(jī)連接性的標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)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(lán)牙SIG附和了3GPP的觀點(diǎn)，聲明Wi-Fi是多余的，并向市場(chǎng)宣布Wi-Fi很快就會(huì)消失。

幾年后，人們發(fā)現(xiàn)Wi-Fi和藍(lán)牙擁有各自確定的應(yīng)用領(lǐng)域，即Wi-Fi用于聯(lián)網(wǎng)，藍(lán)牙用于接口設(shè)備連接。此后許多設(shè)備都開始采用Wi-Fi和藍(lán)牙，Wi-Fi用以實(shí)現(xiàn)高速聯(lián)網(wǎng)，而藍(lán)牙用以連接設(shè)備。曾經(jīng)有一段時(shí)間，有人試圖使藍(lán)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(wú)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(jìn)行中。Wi-Fi(基于IEEE 802.15.4)的低功耗版本ZigBee，正受到來(lái)自藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)的威脅。藍(lán)牙SIG投入開發(fā)藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Bluetooth Mesh)，與ZigBee展開競(jìng)爭(zhēng)。然而，早期提案表明，若BLE要實(shí)現(xiàn)ZigBee現(xiàn)有的功能，將會(huì)大幅增加BLE設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

頻譜可用性

透過(guò)增加全球監(jiān)管當(dāng)局提供的無(wú)線電頻譜數(shù)量，這些無(wú)線電技術(shù)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(shù)和頻段。2019年世界無(wú)線電通訊大會(huì)上，預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)Wi-Fi和5G進(jìn)行全新分配，以支持無(wú)線數(shù)據(jù)通訊不斷增長(zhǎng)的需求。頻譜可用性和使用狀況的具體細(xì)節(jié)則不在本文所要談?wù)摰姆秶鷥?nèi)。

手機(jī)電信業(yè)與Wi-Fi合作

也許有人會(huì)認(rèn)為，3G與Wi-Fi經(jīng)過(guò)激烈競(jìng)爭(zhēng)之后，兩種技術(shù)之間的界限就會(huì)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(shí)并非如此。最初3GPP的手機(jī)電信業(yè)者皆懷疑熱點(diǎn)(Hotspot)的發(fā)展，亦即讓人們?cè)诠矃^(qū)域能夠使用高速互聯(lián)網(wǎng)，且無(wú)須付費(fèi)月租。

圖2 無(wú)線通信技術(shù)中可用的頻段和預(yù)期分配的頻段

而對(duì)于手機(jī)電信業(yè)者來(lái)說(shuō)值得慶幸的是，經(jīng)過(guò)實(shí)際的運(yùn)作發(fā)現(xiàn)，要運(yùn)行大量熱點(diǎn)并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)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(diǎn)服務(wù)的公司已經(jīng)逐漸被手機(jī)電信業(yè)者并吞，而手機(jī)電信業(yè)者開始進(jìn)一步采用Wi-Fi技術(shù)，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(diǎn)和私有路由器來(lái)分擔(dān)3G流量的策略。換句話說(shuō)，就是使用Wi-Fi連接的熱點(diǎn)提供傳統(tǒng)的手機(jī)電信服務(wù)。

與此同時(shí)，消費(fèi)者和企業(yè)了解到運(yùn)行Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將變得更加復(fù)雜，且手機(jī)業(yè)者以及有線業(yè)者開始發(fā)現(xiàn)私有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)蘊(yùn)藏商機(jī)，其可以協(xié)助消費(fèi)者與小型企業(yè)運(yùn)行其所擁有的私有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。

隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長(zhǎng)，尤其是透過(guò)影音應(yīng)用程序(如YouTube)的數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)，業(yè)者須要加大網(wǎng)絡(luò)傳流量。但是，獲得更多頻段并非易事。除了善用Wi-Fi，實(shí)現(xiàn)這一容量的更快捷方法就是讓3G、4G或LTE技術(shù)的后繼技術(shù)也能在ISM頻段中運(yùn)行。這種概念進(jìn)而促進(jìn)了LTE許可輔助訪問(wèn)(LTE-LAA)的發(fā)展。3GPP規(guī)范允許在同個(gè)5GHz頻譜中使用Wi-Fi和LTE-LAA。首款LTE-LAA裝置目前正在計(jì)劃階段，但是LTE-LAA是否會(huì)受歡迎，仍有待觀察。

圖3 無(wú)線技術(shù)的頻譜可用性發(fā)展

基于對(duì)這一歷史背景的了解，可看到一場(chǎng)新的角逐即將開始。IEEE 802.11一直都在努力實(shí)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(shí)，3GPP開始在4G/LTE基礎(chǔ)上繼續(xù)前進(jìn)，并大力投資5G技術(shù)。Wi-Fi聯(lián)盟在營(yíng)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(shù)為驅(qū)動(dòng)力，明確定義5G與Wi-Fi為不同世代的技術(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生其差異性并制造難題來(lái)阻礙5G與Wi-Fi未來(lái)整合的可能性。

無(wú)線通信現(xiàn)今/未來(lái)

而到底哪項(xiàng)技術(shù)將勝出，會(huì)是5G還是IEEE 802.11ax?實(shí)際應(yīng)用上，兩者都可實(shí)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(shí)兩者都試圖進(jìn)入對(duì)方的領(lǐng)域。5G聲稱"其有方法提高室內(nèi)穿透性"，而802.11ax的口號(hào)則是“802.11ax將會(huì)實(shí)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(huì)縮小，但I(xiàn)EEE 802.11ax已經(jīng)制定出了一個(gè)清晰的行動(dòng)計(jì)劃來(lái)解決這個(gè)難題。有趣的是，這個(gè)原本屬于Wi-Fi的劣勢(shì)如今卻因?yàn)榉植际絎i-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展，而將這一劣勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠浔旧淼膬?yōu)勢(shì)。其解決方案則是利用全新的IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)有效地集中用于分布式Wi-Fi系統(tǒng)，并同時(shí)啟用多個(gè)通道以便將不同房間的多個(gè)存取點(diǎn)連接至主路由器。

IEEE 802.11ax所關(guān)注的焦點(diǎn)是完整的室內(nèi)覆蓋，家里或辦公大樓的每個(gè)角落和縫隙都可實(shí)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(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)令人難以置信的使用者體驗(yàn)，IEEE 802.11ax的標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)而變得相當(dāng)?shù)膹?fù)雜且繁復(fù)，而其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格落實(shí)的時(shí)間也因而又延遲了6個(gè)月，預(yù)計(jì)將于2019年年初獲得批準(zhǔn)。

然而，5G正面臨著其獨(dú)有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中包括延遲的問(wèn)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(jī)基地臺(tái)的覆蓋范圍開始降到以平方公尺為單位計(jì)算。預(yù)計(jì)5G的覆蓋范圍可能縮小一半，這也是為何電信業(yè)者會(huì)要求將基地臺(tái)數(shù)量增加4倍多，以改善其覆蓋的問(wèn)題。在人口密集的市區(qū)尋找安置基地臺(tái)的空間成本較高，這意味著推出5G基礎(chǔ)設(shè)施的開銷龐大。而與此同時(shí)許多業(yè)者的4G投資還尚未回本。

盡管情況會(huì)隨著國(guó)家和手機(jī)業(yè)者財(cái)務(wù)結(jié)構(gòu)的不同而有所差異，但本文認(rèn)為如果想要留住渴望獲得更高數(shù)據(jù)速率的消費(fèi)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(shuí)將在競(jìng)爭(zhēng)中取勝?老實(shí)說(shuō)，兩者間根本不應(yīng)該采取競(jìng)爭(zhēng)。5G與Wi-Fi都有其獨(dú)特性，有益于將“計(jì)算機(jī)”(包括可分類到這一項(xiàng)下的所有設(shè)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(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并定義與執(zhí)行同時(shí)使用這兩項(xiàng)技術(shù)的策略，就能在市場(chǎng)中取勝。從這個(gè)角度來(lái)看，這些技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的最終贏家將會(huì)是最終使用者。