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Qorvo白皮书:5G还是.11ax?
日期:2018-06-08 11:01:19   作者:
5G,还是.11ax?
作者:Cees Links,Qorvo无线连接业务部总经理


您是否曾经疑惑为什么手机中设有三个无线电(LTE、Wi-Fi和蓝牙),而平板电脑和电脑中通常都只有两个(Wi-Fi和蓝牙)?进一步讲,为什么您会知道Wi-Fi、蓝牙和LTE这些名称?5G或Zigbee呢?

当无线数据通信技术和标准仍在继续发展的同时,新的标准和专有技术(如Zigbee)也开始引起人们的注意。我们如何区分噪声和真正重要的信息?消费者是否应该关心这些?图1(如下所示)展示了在我们日常生活中发挥作用的各种无线技术。


虽然存在各种各样的营销言论,但从大局出发并了解发展趋势相对比较容易。而且通常情况下它会提醒我们,我们是如何取得今天的成就。目前,只有三个因素比无线电技术更重要,而且我们在日常生活中也都遇到过。这三个因素就是覆盖范围、数据速率和功率。
(1)当我们的手机连接至基站(或与基站断开连接)时,或我们的笔记本电脑连接至家中路由器时,或我们的耳机连接至手机时,我们都会遇到覆盖范围问题。如果设备“在覆盖范围之外”,我们凭经验就能知道会发生什么。
(2)我们还非常熟悉数据速率,尤其是在我们观看视频或听音乐的时候。迄今为止,Wi-Fi在数据速率领域一直占据着至高无上的地位,但我们已经能够利用LTE和5G实现类似的数据速率,尽管价格可能会更高。
(3)最后,尽管我们已经习惯定期对手机和笔记本电脑进行充电,但在那些令人烦心的时刻,即当我们准备使用耳机或 智能腕带等小型设备,结果发现它们没电的那一刻,我们才会记起功耗的重要性。

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,另外两个因素就必须让路。当然,随着时间的推移这三者已经实现了整体改进,但是相互之间的关系仍未发生改变。

例如,如果您想要提高数据速率,那么您必须缩小覆盖范围或提高输出功率。目前速度(数据速率)更高的Wi-Fi却拥有比过去更小的覆盖范围,而且通常都需要使用中继器——这是分布式Wi-Fi或网格Wi-Fi发展的推动因素之一。这种关系同样适用于Zigbee(“低功耗Wi-Fi”)。实质上,Zigbee的覆盖范围和Wi-Fi一样,数据速率也较低,但其功耗却明显更低,因此可实现非常长的电池续航时间。

这种平衡局面中还存在第四种因素,同样基于物理定律,而且我们在日常生活中可能很少意识到这点。这个因素就是频率。更高的频率会缩小覆盖范围,或要求更高功率来实现相同的覆盖范围。但是更高频率具有更多带宽的优势,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“需要”提高频率。Wi-Fi的最新版本都是在60GHz频段中实现的,目标是实现高达100Gb/s的数据速率(.11ay)。


回到手机和笔记本电脑中的无线电技术


显然,对于无线电技术我们有很多内容可以说,但在很大程度上,这些参数就是在手机中采用三种无线电的原因。一种无线电(LTE)用于实现覆盖范围,以连接至离您小区最近的基站;一种无线电(Wi-Fi)用于实现家中或办公室中的连接性能;最后一种无线电(蓝牙)则用于实现短程连接至您随身携带的小型设备,如手机耳机或 智能腕带。

那么,为什么笔记本电脑和平板电脑通常只采用两种无线电呢?虽然存在一个合乎逻辑的答案,但我们还必须了解一点历史知识。

在相对较短的时间里,我们已经了解了三种新技术的发展和趋同:
(1)手机,通过低速数据通信的方式远程连接我们。
(2)无线电/电视,通过有线或卫星运营商采用单向高速数据通信的方式进行音频/ 视频广播。
(3)电脑,包括将所有事物联系在一起的双向高速网络。所有的通信最初都是通过有线电缆(铜或光纤)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、笔记本和平板电脑之间的差异开始慢慢消失。在某种程度上,它们都逐渐成为“联网电脑”,但是仍拥有各自的无线通信标准历史,因为它们都各自经历了从有线到无线技术的过渡。手机和电脑的发展更具动态性,但是由于电视基本上是静态(非移动)设备,有线/ 卫星行业大部分时间都停留在自己的有线世界之中。

随着手机变得更类似于电脑(即智能手机),以及电脑开始支持各种类似于视频和手机的通信能力,过去和目前发展的联网技术有时候会存在矛盾,这点并不奇怪。


不同的联网技术标准——发展截然不同


3GPP是当今的无线手机通信标准化机构;而IEEE 802.11则是无线电脑数据通信的标准化机构。3GPP主要由手机运营商及其政府赞助部门组成,因为运营商最初都是政府机构。(在一些国家,运营商目前仍是政府机构。)IEEE802.11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,他们大部分由其雇主公司赞助。

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——可在一定时间内获得,用于提供通信服务。作为频谱许可方,政府负责确保频谱只能由被许可人使用。但IEEE 802.11却并非如此。该标准化机构根据一组权限有限的规则制定了“无牌”频带(由政府拨出用于“免费使用”的频段)领域适用的标准,这样实际应用的干扰范围停留在局部。这些频段被称为ISM(工业、科学及医学)频段,并可在2、5和60GHz频段范围内找到。

赞助其工程师制定IEEE 802.11标准的公司需要强制遵守IEEE 802.11标准定义。(IEEE 802.11本身并不对合规性进行监管。)所以,这些感兴趣的公司成立了一个Wi-Fi联盟,以便在Wi-Fi品牌下强制执行和推广IEEE 802.11标准——毫不夸张的说,Wi-Fi品牌是当今最有价值的品牌之一。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,因为它是运营商组成的利益集团,通常对市场具有一定的掌控力。它们从不需要像Wi-Fi和蓝牙那样去赢得消费者的支持。所以,它们无需担忧品牌一致性问题,只需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,而这种迁移可能涉及一系列新的实施。


Wi-Fi的竞争与成功,以及电脑有两个无线电的原因


20世纪90年代出现Wi-Fi时,“3GPP领域”普遍都在问:为什么需要Wi-Fi?那时,3G标准化进展顺利并承诺实现高数据速率,而连接至或集成至笔记本电脑的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,“无牌技术”迟早会消失,因为在无牌频带中,缺乏监管会导致性能呈螺旋形迅速下降。

当然,如今我们都知道结果截然不同。Wi-Fi已经找到了一种方法使其能够在无牌ISM频段中适当运行,并满足室内、家中或建筑中的无线连接需求,而3G却不具备良好的穿透性能。通过从2.4GHz频段发展到5GHz频段,Wi-Fi可迅速提高其数据速率,并扩展其能力。此外,通过发展至60GHz频段,其数据速率和能力预计将进一步提高。

増程器技术以及最近的分布式Wi-Fi(“Wi-Fi网格”)理念亦为Wi-Fi迄今为止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就是通过3G实现的数据通信要求手机运营商订阅付费服务,并需要一个初期成本非常高的数据计划,更不必说漫游费用。相比之下,Wi-Fi是免费的——或至少,通过固定电话、ISDN和之后的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运营商与无线运营商直接竞争的局面,最终推动Wi-Fi获得了全球认可。由于担心如果“过度使用”3G技术进行数据通信会导致语音服务崩溃,无线运营商最初不鼓励使用3G技术(因而鼓励使用 Wi-Fi),从而为Wi-Fi的推广做出了贡献。尽管3G实际上被设计用于语音通信,但通过将3G营销为具有数据元素,3G支持者在这方面并未帮助到自己。

顺便说一下,这回答了为什么大多数电脑和平板电脑只有两种无线电这个问题。由于Wi-Fi可实现经济高效的多功能网络连接,所以很少将3G许可无线电(及其后继者)集成到电脑或平板电脑中。集成式3G无线电的成本相对来说太高。当需要移动解决方案时,用户过去一直会转向3G软件狗之类的设备,而现在用户通常会使用手机热点。


Wi-Fi与蓝牙(现在还有Zigbee)


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。一些手机行业的供应商(特别是爱立信和诺基亚)发现了ISM频段的另一种用途——在连接热点下载信息以及在将无线耳机和其他设备连接至手机时,用于提高手机连接性。为创建一个针对手机连接性的标准,蓝牙SIG(特别兴趣小组)由此成立,小组成员均为公司(与IEEE802.11的工程师成员相反)。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。

同样,没过多久。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“外围设备连接”。自那以后,许多设备都开始采用Wi-Fi和蓝牙——Wi-Fi用于实现高速联网,而蓝牙用于连接设备。曾经有一段时间,有人试图使蓝牙成为IEEE的一部分,但是组织和成员差异性让两者无法相融。

有趣的是,两者之间的后续较量如今正在进行中。Wi-Fi的低功耗版本Zigbee(基于IEEE 802.15.4)正受到来自蓝牙的低功耗版本BLE(蓝牙低功耗)的威胁。蓝牙SIG正在开发一种联网版本(Bluetooth Mesh),计划与Zigbee展开竞争。然而,早期提案表明,实现Zigbee中已经可用的功能似乎需要大幅提高BLE的复杂性。让我们拭目以待。


频谱可用性


通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3(如下所示)粗略地显示了所涉及的主要技术和频段。2019年世界无线电通信大会上,预计会对Wi-Fi和5G进行全新分配,以支持无线数据通信不断增长的需求。频谱可用性和使用状况的具体细节超出了本文的范围。


手机运营商和Wi-Fi…合作?


也许有人会认为,3G与Wi-Fi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、办公室),而3G可用于任何地方。但事实并非如此。最初 3GPP 的手机运营商自然非常怀疑所谓“热点”的发展,人们在公共区域能够使用高速互联网,且无需订阅服务。对于手机运营商来说幸运的是,事实表明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酒店、城市、火车等地方。公共热点公司已经逐渐被手机运营商吞并,而且手机运营商还开始进一步采用Wi-Fi技术,并了解到“无牌”并非听起来那么糟糕。运营商甚至还制定了使用公共热点和私有路由器来“减负”的战略。换句话说,就是使用Wi-Fi连接的热点提供传统的手机服务。

与此同时,消费者和公司了解到运行Wi-Fi网络将变得更加复杂,且手机运营商(最近还包括有线运营商)开始发现私有Wi-Fi网络是它们的商机,可帮助消费者和小型公司运行其Wi-Fi网络。

最后,随着数据流量的快速增长,尤其是通过视频应用程序(如YouTube)的数据流量增长,运营商需要加大容量。但是,获得更多频段并非易事。除了利用Wi-Fi,实现这一容量的更快捷方法就是认识到,3G、4G或LTE技术的后继技术也能够在ISM频段中运行。这种认识产生了LTE-LAA(LTE-许可辅助访问)概念。3GPP规范允许在同一个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,但是对于LTE-LAA是否会受欢迎,我们将拭目以待。


那么,目前正在发生什么以及未来将会发生什么?


基于对这一历史背景的了解,我们可以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版本(.11n和.11ac),且正在完成 .11ax。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。(说句题外话,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,明确不同代的技术,并制造阻碍顺利迁移的各种混乱。)

无论如何,如今(再次)讨论哪项技术将胜出完全在意料之中。5G还是IEEE 802.11ax ?两者都可实现较高的数据速率(Gb/s),两者都将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声称有“方法提高室内穿透性”,而 .11ax的口号则是“5G已经到来,名为 .11ax”。

虽然随着数据速率的提升,覆盖范围肯定会缩小,但IEEE 802.11ax已经制定出了一条清晰的行动计划。有趣的是,通过将这个全新的IEEE 802.11ax标准集中用于分布式Wi-Fi(Wi-Fi网格)上,并同时启用多个信道以便将不同房间的多个接入点连接至主路由器,Wi-Fi已经将这一劣势转变为优势。IEEE 802.11ax关注的焦点是完全的室内覆盖——家里或办公楼的每个角落和缝隙都可实现同样的高数据速率,打造一种不容易被5G替代的体验。(为免这种体验听起来令人难以置信,IEEE 802.11ax最终成为一个非常难以实现的标准,且其实现时间又被推迟了6个月,预计将于2019年年初获批。)

然而,5G正面临着其独有的严峻挑战,包括延迟。尽管5G提高了数据速率,但其覆盖范围却缩小了,且手机基站的覆盖范围开始“按平米计算”。预计5G的覆盖范围可能缩小不到一半,这就要求基站数量增加4倍多。在人口密集的市区寻找安置基站的空间成本较高,这意味着推出5G基础设施的开销巨大,与此同时许多运营商的4G投资尚未回本。

尽管情况会随着国家和手机运营商财务结构的不同而有所差异,但我们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,就需要提高数据速率,尤其是在人口密集的环境中,许可频谱的使用比无牌频带的使用更好控制。所以,对进一步开发和改进5G技术的投资仍在继续,且计划于2018年年初(韩国冬奥会前后)进行首次试验。


结论


那么,谁将在竞争中取胜?老实说,甚至都不应该有竞争。5G和Wi-Fi都有非常特别的特性,有益于将“电脑”(包括可分类到这一项下的所有设备)连接至互联网。所以,运营商如果能够充分利用这两项技术的优势,并定义和执行同时利用这两项技术的战略,就能在竞争中取胜。从这个角度来看,这些技术竞争的最终赢家将会是最终用户。

关于作者
Cees Links是GreenPeak Technologies的创始人和原首席执行官,该公司现在已经成为Qorvo的一部分。在其任职期间,公司开发出了首个无线LAN,该技术最终成为家喻户晓的技术,集成到个人电脑和笔记本电脑之中。他还率先开发了接入点、家庭组网路由器和热点基站。他参与了IEEE 802.11标准化委员会和Wi-Fi联盟的筹建工作。另外,他还在IEEE 802.15标准化委员会的组建中发挥了重要作用,该标准后来成为ZigBee传感和控制网络的基础。自GreenPeak被Qorvo收购以来,Cees一直在Qorvo无线连接业务部担任总经理一职。作为Wi-Fi技术先锋,他最近荣获了Golden Mousetrap终身成就奖。

查询进一步信息,请访问官方网站http://www.qorvo.com
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