从各种角度检视,Wi-Fi及Wi-Fi的底层技术标准IEEE 802.11,都在持续增长、扩展发展,过去仅有笔电100%内建Wi-Fi功效,而今无论是智慧型手机、电视游乐器、乃至视讯机顶盒等,都几乎全面内建Wi-Fi。
展望2013年,Wi-Fi与IEEE 802.11将延续哪些发展?或正在研拟哪些发展?以下本文将对此进行探讨。
Wi-Fi CERTIFIED Miracast
看到诸多Wi-Fi晶片业者提出Wi-Fi Display(无线播放)的方案,如Intel的WiDi,或Apple提出AirPlay Mirroring应用等,Wi-Fi联盟也有意统一Wi-Fi串流播放应用的标准,进而提出Wi-Fi CERTIFIED Miracast(以下简称Miracast)。
Miracast在2012年6月提出,而Wi-Fi联盟正式提供认证测试的时间则为同年8月,诸多晶片业者均支持此一共通标准,包含TI、NVIDIA等,而Intel也愿意放弃自2010年即开始推行的WiDi,新版WiDi将依循Miracast标准。
不仅晶片业者支持,Google也支持Miracast,Android 4.2版即支援Miracast,而Google与LG合作的智慧型手机Nexus 4也支援Miracast。而2013年1月CES期间,Wi-Fi联盟也发出新闻稿,强调持续强力推展Miracast功效及应用。
由于Miracast是纯软体方案,不用更动底层标准,因此不需要增订、修订IEEE 802.11标准也能实现,事实上Miracast也倚赖另一个底层标准Wi-Fi Direct,该标准也是纯软体方案,不需要变更硬体即可实现。
![图一 : Wi-Fi联盟于推行Miracast功效应用,即可将手机、平板的显示画面,透过Wi-Fi无线通信,实时输出到大画面装置上呈现。(图片来源:androidandme.com)](/art/2013/04/011659274210/p1S.JPG)
图一 : Wi-Fi联盟于推行Miracast功效应用,即可将手机、平板的显示画面,透过Wi-Fi无线通信,实时输出到大画面装置上呈现。(图片来源:androidandme.com) |
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与其他家用网路保持友谊关系
家庭区域网路自1998年开始谈论,例如以电话线建构家庭网路(HomePNA),用电源电力线建构家庭网路(HomePlug)、用有线电视的同轴电缆建构家庭网路(MoCA)等,但其实最普遍使用的家庭网路却是无线的Wi-Fi(另有一小段时间流行HomeRF,然很快被Wi-Fi所取代)。
虽然Wi-Fi为家用网路最大赢家,但从Wi-Fi联盟在CES 2013期间的展示可看出,Wi-Fi联盟无意与其他有线家用网路竞争,相反地,却有共同推促家用网路的技术示范。例如Wi-Fi联盟与ZigBee联盟和HomePlug网路联盟达成合作协议,使 Wi-Fi、HomePlug 绿色实体层(Green PHY)和使用 SEP 2.0 应用协议的 ZigBee 网路设备具备可互通性。
11ac极高通量(VHT)的技术推展
所谓极高通量(Very High Throughput;VHT)指的是原生传输率突破1Gbps的Wi-Fi技术,此方面需要底层技术的支持,针对此IEEE 802.11工作小组研拟2套标准,一是IEEE 802.11 ac,另一是IEEE 802.11ad。
IEEE 802.11ac使用Wi-Fi较少使用的5GHz频段(相对于2.4GHz频段较少被使用),可说是过往11g、11n速率标准的接替延伸,11ac最快可到6.93Gbps(理论值),而加速手法主要是将过往11n的技术再持续强化精进而得。
例如11n每通道频宽为20MHz或40MHz,11ac则扩增至80MHz、160MHz,又如11n最高调变为64QAM(事实上11a标准已是64QAM),而11ac增至256QAM,另外11n最多4组天线,11ac则增至8组。
比较特别的是,11ac的8组天线不能同时服务同1个终端装置,而是服务2个或2个以上的装置,同时服务2个以上的装置,也改变Wi-Fi过往的同时间仅服务1个装置的惯例,因此该功效称为MU-MIMO(Multi-User MIMO),亦即过往11n的多进多出(Multiple-Input and Multiple-Output,MIMO)技术,可同时用来服务2个以上的使用者。
由于11ac将Wi-Fi速率再往上提升,可说是Wi-Fi速率标准的第5次改版(或称第5世代),加上使用5GHz频段,因而行销多称为「5G Wi-Fi」 。
11ac虽有更高速率,但尚未完成所有订立,原订2013年底可完成正式版订立,然目前观察时程恐要递延至2014年初,不过业者已等不及正式版本出炉,自2012年下半年开始,业界已用11ac草版标准来推行新晶片,目前先行的作法称为Wave 1,并未实现所有的11ac功效,如Wave 1仅有80MHz通道频宽,须至Wave 2才有160MHz通道频宽。
![图二 : 11ac标准大体可视为11n技术的扩展延伸,包含调变方式、信道带宽、天线数等。(图片来源:Cisco.com)](/art/2013/04/011659274210/p2.jpg)
图二 : 11ac标准大体可视为11n技术的扩展延伸,包含调变方式、信道带宽、天线数等。(图片来源:Cisco.com) |
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![图三 : 11ac草版标准将视为Wave 1先推行,而后再以正式版推行Wave 2。(图片来源:Cisco.com)](/art/2013/04/011659274210/p3.jpg)
图三 : 11ac草版标准将视为Wave 1先推行,而后再以正式版推行Wave 2。(图片来源:Cisco.com) |
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11ad极高通量(VHT)的技术推展
11ac外的另一Gbps级标准为IEEE 802.11ad,11ad使用60GHz频段,由于频率过高,电波发波后即快速衰减,因此不适合长距离传输(10公尺内),也不能穿墙传输(视线内传输Line-Of-Sight,LOS),然优点是传输率高,目前点对点传输可至7Gbps,理论值则在10Gbps、20Gbps以上,未来能仍有加速潜力空间。
11ad也尚未完成正式版标准订立,且其推行的名称为WiGig(Wireless Gigabit Alliance),于2009年开始推展,但2013年初已确定WiGig将与Wi-Fi融合整并,Wi-Fi联盟在CES 2013期间也力推此一标准技术,但改以「Multi-gigabit point-to-point wireless」一称推行。另外,Wi-Fi联盟未称11ac为5G Wi-Fi,而是称「Gigabit Wi-Fi」。
11ad的正式标准也预计在2014年才能完成,估计在此之前业者也是以草拟版标准先行在市场推展,11ad在基频(Baseband,BB)与低阶媒体存取控制(Lower Media Access Control,MAC )层方面相容于IEEE 802.11标准,因此未来的Wi-Fi产品有可能同时兼具11n与11ad,或是兼具11ac与11ad,并可视应用情境(有无穿墙传输需求、10公尺外传输需求等)而自动侦测切换,或手动切换等。
![图四 : WiGig/IEEE 802.11ad在基频与低阶媒体访问控制层方面倚赖IEEE 802.11标准。(图片来源:WirelessGigabitAlliance.org)](/art/2013/04/011659274210/p4.jpg)
图四 : WiGig/IEEE 802.11ad在基频与低阶媒体访问控制层方面倚赖IEEE 802.11标准。(图片来源:WirelessGigabitAlliance.org) |
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![图五 : 虽说60GHz为全球通行的免授权使用频段,但各国的规划配置仍有若干出入。(图片来源:WirelessGigabitAlliance.org)](/art/2013/04/011659274210/p5.jpg)
图五 : 虽说60GHz为全球通行的免授权使用频段,但各国的规划配置仍有若干出入。(图片来源:WirelessGigabitAlliance.org) |
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分流(Offloading)机制标准Wi-Fi Passpoint
随着智慧型手机日益普及,愈来愈多人使用手机上网,此大量耗损3G基地台的数据频宽,但过往为鼓励大众使用行动数据服务,对数据服务的收费采行大方的吃到饱费率,过低的费率使电信商收入微薄,从而无法再建置、投资新的3G基地台来纾缓服务需求。
针对此,各国电信商与电信设备商开始有各种因应,美国4大电信商全面取消吃到饱服务,台湾也有意跟进,欧洲则维持吃到饱,但对于重度用户耗用过多频宽与传输量后,局端会开始对该用户限速。另外基地台业者开始推行比较平价低廉的小型基地台(Small Cell Base Station),好降低电信商扩建的财务负担。
除了上述修正措施外,业界也提出Wi-Fi分流(Wi-Fi Offloading,卸除负荷)方案,即Wi-Fi基地台相当便宜,仅100美元不到就可以得到约80~140公尺距离、 150~450Mbps通量速率。因此,电信业者开始在重点区域布建Wi-Fi基地台,如机场、饭店、餐厅等,用Wi-Fi基地台来分担3G基地台的数据服务负荷量。
严格而论,Wi-Fi基地台只能部份分担3G数据服务的负荷,而无法完全取代,一是Wi-Fi基地台覆盖面积太小,另一是Wi-Fi基地台间的换手机制(Hand-Off)不够快,无法支援行车(高速移动下)通讯,只能定点(零速度)或走动(低速)。虽然Wi-Fi分流有其限制,但Wi-Fi能以廉价布建来满足外出的定点、低速数据服务需求,在现阶段已难得可贵。
Wi-Fi分流作法虽理想,但终端消费者若要自己搜寻Wi-Fi的SSID,进而自行输入帐号密码才能使用数据服务,未免不便,为此业界开始提出各种无缝切换机制,让终端装置自动侦测附近可用的Wi-Fi基地台,也自动输入帐号密码,让使用者使用Wi-Fi分流服务,与使用3G行动数据般一样无形便利。
不过,现阶段业界提出各种不同的无缝切换机制,鉴于平顺切换机制的紊乱,Wi-Fi联盟提出Wi-Fi Passpoint,Wi-Fi Passpoint以IEEE 802.11u及Hot Spot 2.0标准为基础,期望Wi- Fi Passpoint成为日后一统的平顺切换机制。
IEEE 802.11阿福(Super Wi-Fi/TV White Space)
虽然Wi-Fi的底层技术倚仗的是IEEE 802.11标准,但不代表Wi-Fi会采行所有IEEE 802.11订立的标准,或IEEE 802.11订立的标准必成为Wi-Fi,在后续的IEEE 802.11标准订立中,就有部份不确定会否与Wi-Fi相容互通。
以IEEE 802.11af为例,它是运用过往电视白区(TV White Space,TVWS)的频段所订立标准,另一个也是使用该区频段的无线标准为IEEE 802.22。由于使用白区频段(VHS的54MHz~216MHz及UHF的470MHz~698MHz),有时IEEE 802.11af也称为White-Fi(取Wi-Fi一词的衍生变化)。
除了White-Fi外,IEEE 802.11af也被称为Super Wi-Fi,原因是白区频段的频率低,单一基地台的建立即可达高面积的覆盖,理论值可达160公里之远,远多过现有Wi-Fi的100公尺上下距离。
虽称为Super Wi-Fi,但其实尚未确定与Wi-Fi相容,且正式的11af标准也要等到2014年6月才能底定,2012年初Wi-Fi联盟已经对Super Wi-Fi一称有些微词,并发表新闻稿声明,此一名称有让用户误以为Super Wi-Fi与Wi-Fi相通,Wi-Fi联盟对此表示关切等。
IEEE 802.11阿海(WSN/IoT)
除11af外,11ah是另一个与Wi-Fi关连性不高的IEEE 802.11标准,11ah是订立一个低于1GHz以下的频段标准,该标准将用来支援无线感测器网路(Wireless Sensor Network, WSN),以及支援物联网(Internet of Thing,IoT)、智慧型电网(Smart Grid)的智慧电表(Smart Meter)等应用,即类似ZigBee的功效应用。
事实上Wi-Fi联盟确实有往其他应用领域发展的意向,特别是工业控制、医疗等过往的垂直应用市场等,例如2012年初示范过Wi-Fi与ZigBee互通,ZigBee部份是使用SEP 2( Smart Energy Profile 2)的应用型态,言下之意ZigBee部份是用来进行输配电、供电用电等侦测之用。 11ah目前仍在订立中,预估2015年5月可以完成正式版标准。
IEEE 802.11aj(大陆60GHz微米波标准)
前面谈及IEEE 802.11ad为60GHz频段的标准,60GHz一般为不需要授权即可使用的频段,然严格而论,此频段各国仍有部份的差异。例如南韩是57GHz~64GHz,日本是59GHz~66GHz,而欧洲、北美也各有不同,澳洲甚至只59.4GHz~62.9GHz范畴,频宽明显较其他国家为小。
由于各国的不同,因而有针对大陆所订立的毫米(公厘等级)波标准,所谓毫米波指的是电波的波长,即光速除以频率,每秒299,792,458公尺除以60GHz,约为5毫米左右。大陆版的60GHz频段标准,即为IEEE 802.11aj,一般称为CMMW(China MilliMeter Wave)。
小幅调修的11ai、11mc
除上述IEEE 802.11标准外,也有若干小标准在研拟中,但主要是补强现有IEEE 802.11标准的一些小缺漏,使整体标准更加完备。例如IEEE 802.11ai是用来加速Wi-Fi初始连结设定的速度之用,预计2014年9月可以完成订立。又如IEEE 802.11mc,该标准无具体重大变革,只针对网路的维护管理方面提出更多的补强与修正,预计2015年3月完成标准。
结论
最后归结,Wi-Fi与IEEE 802.11的后续发展主要有2个趋向,一是强化显示、视讯应用,例如Miracast、5G Wi-Fi、WiGig等,对此而积极提升传输速率与机制运作等。另一是寻觅新频段,如5G Wi-Fi以过去少用的5GHz频段为主,WiGig则以60GHz频段为主,或者后续的新订立也包含电视白区频段、1GHz以下频段、大陆的60GHz频段等。
另外Wi-Fi也日益强调单纯家庭上网外的应用,如强化工业控制、医疗、车用、智慧电网等过往垂直应用领域的市场。由此可知,新技术、新频段、新应用均是Wi-Fi、IEEE 802.11后续积极努力的方向。