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2013年IEEE 802.11、Wi-Fi動向展望
不僅要更高速,還要更多應用!

【作者: 陸向陽】   2013年04月01日 星期一

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從各種角度檢視,Wi-Fi及Wi-Fi的底層技術標準IEEE 802.11,都在持續增長、擴展發展,過去僅有筆電100%內建Wi-Fi功效,而今無論是智慧型手機、電視遊樂器、乃至視訊機頂盒等,都幾乎全面內建Wi-Fi。


展望2013年,Wi-Fi與IEEE 802.11將延續哪些發展?或正在研擬哪些發展?以下本文將對此進行探討。


Wi-Fi CERTIFIED Miracast

看到諸多Wi-Fi晶片業者提出Wi-Fi Display(無線播放)的方案,如Intel的WiDi,或Apple提出AirPlay Mirroring應用等,Wi-Fi聯盟也有意統一Wi-Fi串流播放應用的標準,進而提出Wi-Fi CERTIFIED Miracast(以下簡稱Miracast)。


Miracast在2012年6月提出,而Wi-Fi聯盟正式提供認證測試的時間則為同年8月,諸多晶片業者均支持此一共通標準,包含TI、NVIDIA等,而Intel也願意放棄自2010年即開始推行的WiDi,新版WiDi將依循Miracast標準。


不僅晶片業者支持,Google也支持Miracast,Android 4.2版即支援Miracast,而Google與LG合作的智慧型手機Nexus 4也支援Miracast。而2013年1月CES期間,Wi-Fi聯盟也發出新聞稿,強調持續強力推展Miracast功效及應用。


由於Miracast是純軟體方案,不用更動底層標準,因此不需要增訂、修訂IEEE 802.11標準也能實現,事實上Miracast也倚賴另一個底層標準Wi-Fi Direct,該標準也是純軟體方案,不需要變更硬體即可實現。



圖一 :   Wi-Fi聯盟於推行Miracast功效應用,即可將手機、平板的顯示畫面,透過Wi-Fi無線通訊,即時輸出到大畫面裝置上呈現。(圖片來源:androidandme.com)
圖一 : Wi-Fi聯盟於推行Miracast功效應用,即可將手機、平板的顯示畫面,透過Wi-Fi無線通訊,即時輸出到大畫面裝置上呈現。(圖片來源:androidandme.com)

與其他家用網路保持友誼關係

家庭區域網路自1998年開始談論,例如以電話線建構家庭網路(HomePNA),用電源電力線建構家庭網路(HomePlug)、用有線電視的同軸電纜建構家庭網路(MoCA)等,但其實最普遍使用的家庭網路卻是無線的Wi-Fi(另有一小段時間流行HomeRF,然很快被Wi-Fi所取代)。


雖然Wi-Fi為家用網路最大贏家,但從Wi-Fi聯盟在CES 2013期間的展示可看出,Wi-Fi聯盟無意與其他有線家用網路競爭,相反地,卻有共同推促家用網路的技術示範。例如Wi-Fi聯盟與ZigBee聯盟和HomePlug網路聯盟達成合作協議,使 Wi-Fi、HomePlug 綠色實體層(Green PHY)和使用 SEP 2.0 應用協議的 ZigBee 網路設備具備可互通性。


11ac極高通量(VHT)的技術推展

所謂極高通量(Very High Throughput;VHT)指的是原生傳輸率突破1Gbps的Wi-Fi技術,此方面需要底層技術的支持,針對此IEEE 802.11工作小組研擬2套標準,一是IEEE 802.11ac,另一是IEEE 802.11ad。


IEEE 802.11ac使用Wi-Fi較少使用的5GHz頻段(相對於2.4GHz頻段較少被使用),可說是過往11g、11n速率標準的接替延伸,11ac最快可到6.93Gbps(理論值),而加速手法主要是將過往11n的技術再持續強化精進而得。


例如11n每通道頻寬為20MHz或40MHz,11ac則擴增至80MHz、160MHz,又如11n最高調變為64QAM(事實上11a標準已是64QAM),而11ac增至256QAM,另外11n最多4組天線,11ac則增至8組。


比較特別的是,11ac的8組天線不能同時服務同1個終端裝置,而是服務2個或2個以上的裝置,同時服務2個以上的裝置,也改變Wi-Fi過往的同時間僅服務1個裝置的慣例,因此該功效稱為MU-MIMO(Multi-User MIMO),亦即過往11n的多進多出(Multiple-Input and Multiple-Output,MIMO)技術,可同時用來服務2個以上的使用者。


由於11ac將Wi-Fi速率再往上提升,可說是Wi-Fi速率標準的第5次改版(或稱第5世代),加上使用5GHz頻段,因而行銷多稱為「5G Wi-Fi」。


11ac雖有更高速率,但尚未完成所有訂立,原訂2013年底可完成正式版訂立,然目前觀察時程恐要遞延至2014年初,不過業者已等不及正式版本出爐,自2012年下半年開始,業界已用11ac草版標準來推行新晶片,目前先行的作法稱為Wave 1,並未實現所有的11ac功效,如Wave 1僅有80MHz通道頻寬,須至Wave 2才有160MHz通道頻寬。



圖二 :  11ac標準大體可視為11n技術的擴展延伸,包含調變方式、通道頻寬、天線數等。(圖片來源:Cisco.com)
圖二 : 11ac標準大體可視為11n技術的擴展延伸,包含調變方式、通道頻寬、天線數等。(圖片來源:Cisco.com)

圖三 :  11ac草版標準將視為Wave 1先推行,而後再以正式版推行Wave 2。(圖片來源:Cisco.com)
圖三 : 11ac草版標準將視為Wave 1先推行,而後再以正式版推行Wave 2。(圖片來源:Cisco.com)

11ad極高通量(VHT)的技術推展

11ac外的另一Gbps級標準為IEEE 802.11ad,11ad使用60GHz頻段,由於頻率過高,電波發波後即快速衰減,因此不適合長距離傳輸(10公尺內),也不能穿牆傳輸(視線內傳輸Line-Of-Sight,LOS),然優點是傳輸率高,目前點對點傳輸可至7Gbps,理論值則在10Gbps、20Gbps以上,未來能仍有加速潛力空間。


11ad也尚未完成正式版標準訂立,且其推行的名稱為WiGig(Wireless Gigabit Alliance),於2009年開始推展,但2013年初已確定WiGig將與Wi-Fi融合整併,Wi-Fi聯盟在CES 2013期間也力推此一標準技術,但改以「Multi-gigabit point-to-point wireless」一稱推行。另外,Wi-Fi聯盟未稱11ac為5G Wi-Fi,而是稱「Gigabit Wi-Fi」。


11ad的正式標準也預計在2014年才能完成,估計在此之前業者也是以草擬版標準先行在市場推展,11ad在基頻(Baseband,BB)與低階媒體存取控制(Lower Media Access Control,MAC)層方面相容於IEEE 802.11標準,因此未來的Wi-Fi產品有可能同時兼具11n與11ad,或是兼具11ac與11ad,並可視應用情境(有無穿牆傳輸需求、10公尺外傳輸需求等)而自動偵測切換,或手動切換等。



圖四 :  WiGig/IEEE 802.11ad在基頻與低階媒體存取控制層方面倚賴IEEE 802.11標準。(圖片來源:WirelessGigabitAlliance.org)
圖四 : WiGig/IEEE 802.11ad在基頻與低階媒體存取控制層方面倚賴IEEE 802.11標準。(圖片來源:WirelessGigabitAlliance.org)
圖五 : 雖說60GHz為全球通行的免授權使用頻段,但各國的規劃配置仍有若干出入。(圖片來源:WirelessGigabitAlliance.org)
圖五 : 雖說60GHz為全球通行的免授權使用頻段,但各國的規劃配置仍有若干出入。(圖片來源:WirelessGigabitAlliance.org)

分流(Offloading)機制標準Wi-Fi Passpoint

隨著智慧型手機日益普及,愈來愈多人使用手機上網,此大量耗損3G基地台的數據頻寬,但過往為鼓勵大眾使用行動數據服務,對數據服務的收費採行大方的吃到飽費率,過低的費率使電信商收入微薄,從而無法再建置、投資新的3G基地台來紓緩服務需求。


針對此,各國電信商與電信設備商開始有各種因應,美國4大電信商全面取消吃到飽服務,台灣也有意跟進,歐洲則維持吃到飽,但對於重度用戶耗用過多頻寬與傳輸量後,局端會開始對該用戶限速。另外基地台業者開始推行比較平價低廉的小型基地台(Small Cell Base Station),好降低電信商擴建的財務負擔。


除了上述修正措施外,業界也提出Wi-Fi分流(Wi-Fi Offloading,卸除負荷)方案,即Wi-Fi基地台相當便宜,僅100美元不到就可以得到約80~140公尺距離、150~450Mbps通量速率。因此,電信業者開始在重點區域佈建Wi-Fi基地台,如機場、飯店、餐廳等,用Wi-Fi基地台來分擔3G基地台的數據服務負荷量。


嚴格而論,Wi-Fi基地台只能部份分擔3G數據服務的負荷,而無法完全取代,一是Wi-Fi基地台覆蓋面積太小,另一是Wi-Fi基地台間的換手機制(Hand-Off)不夠快,無法支援行車(高速移動下)通訊,只能定點(零速度)或走動(低速)。雖然Wi-Fi分流有其限制,但Wi-Fi能以廉價佈建來滿足外出的定點、低速數據服務需求,在現階段已難得可貴。


Wi-Fi分流作法雖理想,但終端消費者若要自己搜尋Wi-Fi的SSID,進而自行輸入帳號密碼才能使用數據服務,未免不便,為此業界開始提出各種無縫切換機制,讓終端裝置自動偵測附近可用的Wi-Fi基地台,也自動輸入帳號密碼,讓使用者使用Wi-Fi分流服務,與使用3G行動數據般一樣無形便利。


不過,現階段業界提出各種不同的無縫切換機制,鑑於平順切換機制的紊亂,Wi-Fi聯盟提出Wi-Fi Passpoint,Wi-Fi Passpoint以IEEE 802.11u及Hot Spot 2.0標準為基礎,期望Wi-Fi Passpoint成為日後一統的平順切換機制。


IEEE 802.11af(Super Wi-Fi/TV White Space)

雖然Wi-Fi的底層技術倚仗的是IEEE 802.11標準,但不代表Wi-Fi會採行所有IEEE 802.11訂立的標準,或IEEE 802.11訂立的標準必成為Wi-Fi,在後續的IEEE 802.11標準訂立中,就有部份不確定會否與Wi-Fi相容互通。


以IEEE 802.11af為例,它是運用過往電視白區(TV White Space,TVWS)的頻段所訂立標準,另一個也是使用該區頻段的無線標準為IEEE 802.22。由於使用白區頻段(VHS的54MHz~216MHz及UHF的470MHz~698MHz),有時IEEE 802.11af也稱為White-Fi(取Wi-Fi一詞的衍生變化)。


除了White-Fi外,IEEE 802.11af也被稱為Super Wi-Fi,原因是白區頻段的頻率低,單一基地台的建立即可達高面積的覆蓋,理論值可達160公里之遠,遠多過現有Wi-Fi的100公尺上下距離。


雖稱為Super Wi-Fi,但其實尚未確定與Wi-Fi相容,且正式的11af標準也要等到2014年6月才能底定,2012年初Wi-Fi聯盟已經對Super Wi-Fi一稱有些微詞,並發表新聞稿聲明,此一名稱有讓用戶誤以為Super Wi-Fi與Wi-Fi相通,Wi-Fi聯盟對此表示關切等。


IEEE 802.11ah(WSN/IoT)

除11af外,11ah是另一個與Wi-Fi關連性不高的IEEE 802.11標準,11ah是訂立一個低於1GHz以下的頻段標準,該標準將用來支援無線感測器網路(Wireless Sensor Network,WSN),以及支援物聯網(Internet of Thing,IoT)、智慧型電網(Smart Grid)的智慧電錶(Smart Meter)等應用,即類似ZigBee的功效應用。


事實上Wi-Fi聯盟確實有往其他應用領域發展的意向,特別是工業控制、醫療等過往的垂直應用市場等,例如2012年初示範過Wi-Fi與ZigBee互通,ZigBee部份是使用SEP 2(Smart Energy Profile 2)的應用型態,言下之意ZigBee部份是用來進行輸配電、供電用電等偵測之用。11ah目前仍在訂立中,預估2015年5月可以完成正式版標準。


IEEE 802.11aj(大陸60GHz微米波標準)

前面談及IEEE 802.11ad為60GHz頻段的標準,60GHz一般為不需要授權即可使用的頻段,然嚴格而論,此頻段各國仍有部份的差異。例如南韓是57GHz~64GHz,日本是59GHz~66GHz,而歐洲、北美也各有不同,澳洲甚至只59.4GHz~62.9GHz範疇,頻寬明顯較其他國家為小。


由於各國的不同,因而有針對大陸所訂立的毫米(公釐等級)波標準,所謂毫米波指的是電波的波長,即光速除以頻率,每秒299,792,458公尺除以60GHz,約為5毫米左右。大陸版的60GHz頻段標準,即為IEEE 802.11aj,一般稱為CMMW(China MilliMeter Wave)。


小幅調修的11ai、11mc

除上述IEEE 802.11標準外,也有若干小標準在研擬中,但主要是補強現有IEEE 802.11標準的一些小缺漏,使整體標準更加完備。例如IEEE 802.11ai是用來加速Wi-Fi初始連結設定的速度之用,預計2014年9月可以完成訂立。又如IEEE 802.11mc,該標準無具體重大變革,只針對網路的維護管理方面提出更多的補強與修正,預計2015年3月完成標準。


結論

最後歸結,Wi-Fi與IEEE 802.11的後續發展主要有2個趨向,一是強化顯示、視訊應用,例如Miracast、5G Wi-Fi、WiGig等,對此而積極提升傳輸速率與機制運作等。另一是尋覓新頻段,如5G Wi-Fi以過去少用的5GHz頻段為主,WiGig則以60GHz頻段為主,或者後續的新訂立也包含電視白區頻段、1GHz以下頻段、大陸的60GHz頻段等。


另外Wi-Fi也日益強調單純家庭上網外的應用,如強化工業控制、醫療、車用、智慧電網等過往垂直應用領域的市場。由此可知,新技術、新頻段、新應用均是Wi-Fi、IEEE 802.11後續積極努力的方向。


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