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Beyond Wi-Fi 四大技术动向剖析
WiHD、WHDI、WiGig、5G Wi-F

【作者: 陸向陽】2013年04月22日 星期一

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无线技术标准的发展,可谓是几家欢乐几家愁,以下略举数例来说明。


2002年美国FCC核准超宽带(Ultra-Wideband;UWB)商用,多数业者投入发展,包含半导体大厂Intel,但经数年发展后,2005年底Intel放弃超宽带技术,随后2006年IEEE 802.15.3a超宽带标准的订立工作小组解散,更之后UWB相关业者歇业(如Tzero)、UWB相关标准(如WirelessUSB)少再提及,超宽带几被判死刑。


又如WiMAX,WiMAX的基础标准IEEE 802.16约自2001年起步,至2004年改以OFDM调变技术后,推翻2001~2004年间订立的成果,重新发展,但发展至今,仍难达理想的市场规模,WiMAX芯片业者与服务电信商,均开始有朝TD-LTE领域转型的趋向,当为备案。


UWB与WiMAX虽发展不顺,但也有发展渐趋完备成熟的,如2004年提出的NFC及ZigBee,虽初期推展不易,然随标准渐完备、市场渐成熟,其后续推动已毋须担忧。


Bluetooth在初期也推展不顺,而今不仅站稳脚步,甚至开始尝试跨入新领域、新应用,如Bluetooth HS或BLE(Bluetooth Low Energy)等。其他仍在自身领域中持续推进的,则有如Z-Wave,RIFD、Rubee、TransferJet等。


无论技术及其生态是成是败,仍持续有诸多业者提出新技术、新标准,期望开拓新领域、新应用,以下将针对四种超高速的无线局域网络技术进行观察、探讨。


Wireless HD/IEE 802.15.3c

WirelessHD技术(简称WiHD)于2008年1月提出,主要由日、韩消费性电子业者所发起,初期仅SiBEAM一家研发、供应WiHD芯片(另一说为NEC、Toshiba亦有生产,然技术仍以SiBEAM为主),而后2008年8月IFA展时Broadcom加入,更之后Intel也加入,Intel在加入WiHD前即已舍弃UWB,有明显从UWB转向WiHD的意图。


WiHD使用60GHz频段,60GHz频段与2.4GHz频段相同,均为全球免费授权使用的频段,而WiHD的信道频段耗占为7GHz。WiHD 1.0版宣称可达4Gbps传输率,而其技术原理的理论极限速率可至25Gbps。


WiHD在1.0版标准推出后,一直没有新版发展,2009年其相似技术的另一联盟WiGig(Wireless Gigabit Alliance)成立后,WiHD才于2010年5月提出新版,即WiHD 1.1,1.1版具以下特点:


1. 以较低功耗实现影音串流传输与文件传输,过往仅标榜无线传输视讯,较少提及文件传输及低功耗性。


2. 提升理论极限速率,自25Gbps增至28Gbps。


3. 对智能型手机、平板等行动装置也能提供达1Gbps传输率。


4. 支持3D视讯输出。


5. 支持4k x 2k分辨率视讯的输出。


6. 支持HDCP 2.0视讯防拷加密机制,原1.0版即已支持DTCP机制。


值得一提的是,WiHD的主要芯片商SiBEAM于2011年4月由Silicon Image以2,550万美元购并,SiBEAM原投资者主要为Panasonic、Samsung。购并后,Silicon Image为降低芯片客户的顾虑,于2011年6月推出第3代的WiHD芯片,在此之前约从2009年初开始量产初代WiHD芯片。


WHDI

与WiHD相同的,WHDI是以日、韩消费性电子业者为主体,于2009年12月发表WHDI(Wireless Home Digital Interface)技术,WHDI也标榜高传输率,宣称在5GHz频段中,以40MHz信道带宽进行传输,可达3Gbps,若为20MHz信道带宽则为1.5Gbps。


WHDI发表之初让多数人怀疑日、韩消费性业者将舍弃WiHD,然事实相反,WHDI可谓是与WiHD互补的技术。


从技术角度检视,WiHD与WHDI实行全然相反的技术,WiHD使用60GHz频段,WHDI则为Wi-Fi常用的5GHz频段,WiHD使用7GHz带宽成就高传输率,WHDI则用Wi-Fi常用的20MHz或40MHz带宽。若以传输率的未来潜在提升空间而言,WiHD明显较具优势。


但是,WiHD的技术亦有限制,因使用60GHz高频段,不易长距离传输(仅10m距离),也无法穿墙传输,同时传输路径最好毫无阻碍,或仅有部份(非大面积的完全遮拦)遮阻,或短暂(人的走动)遮阻,因此只适合单一房间内的应用,一般为客厅,在客厅内让蓝光播放器、电视游乐器、高清晰数字电视等相互进行传输。


相对的,WHDI可达30m以上传输距离,可穿墙传输,虽然极限速率不如WiHD,但却可与WiHD搭配运用,或分别经营不同的应用情境市场,即WiHD主打Single-Room视讯应用,WHDI主打Multi-Room视讯应用。


WHDI在1.0版标准推出后,原于2010年中释出消息,将订立出2.0版,新版支持方向与时下多数无线视讯传输应用相同,即支持3D视讯(Stereoscopic 3D)、1080p双显示、4k x 2k分辨率、HDMI 1.4a规格等,不过至今未见2.0版正式发布。


WiGig/IEEE 802.11ad

2009年5月WiGig成立,而后在2009年12月提出WiGig 1.0版标准,但标准的正式公开发布为2010年5月。WiGig使用的频段、技术与WiHD相似,均为60GHz,但根基的标准不同,WiHD为IEEE 802.15.3c,WiGig则为IEEE 802.11ad。


由于WiGig与WiHD技术较劲意味浓厚,WiGig于2010年5月发布WiGig 1.0版后,WiHD阵营即在同月份发布WiHD 1.1版,而后WiGig又于2011年6月发布WiGig 1.1版,WiHD阵营则以第3代WiHD芯片回敬。


在技术能耐方面,WiGig宣称有7Gbps传输率,是IEEE 802.11n标准的10倍以上速率,但WiGig在MAC层上是以IEEE 802.11标准进行扩展延伸,以便能与IEEE 802.11标准兼容,PHY(实体)层方面既支持低功耗装置也支持高效能装置,另在支持视讯传输外,也强调PC外围装置应用。


由此可知,WiHD 1.1版的出炉,诸多强调也是为了与WiGig更相近,以便竞争,但同时也透露,WiHD初期较耗电、较不能支持电池类行动装置,也较偏重视讯传输应用。


为了确实支持视讯与外围两类应用,2010年11月WiGig再订立出WiGig 1.0版A/V与I/O协议的转接层(Protocol Adaptation Layer;PAL)标准,以PAL为基础,往上增订WDE(WiGig Display Extension)、WBE(WiGig Bus Extension)、WSE(WiGig Serial Extension)等标准,以支持不同的传输应用。


WiGig虽已有1.1版标准,但其根基的IEEE 802.11ad标准则尚未定案,预计2012年年底可定案。


图一 : WiHD可透过直射、反射信号进行收发传输,但不可以连反射传送路径都遮组,例如整面墙。
图一 : WiHD可透过直射、反射信号进行收发传输,但不可以连反射传送路径都遮组,例如整面墙。

Wi-Fi/IEEE 802.11ac

WiGig的出现,等于是60GHz频段的技术解决方案闹双胞,形成WiHD vs. WiGig的局面,不过双胞局面不仅仅是WiHD vs. WiGig,WHDI也遭遇竞争性标准,即Wi-Fi的后续增订版本IEEE 802.11ac。


IEEE 802.11ac与WHDI一样以5GHz为主,但期望用更多组天线(4组8组)、更大的信道带宽(20/40MHz80/160MHz)、更复杂的调变(64QAM256QAM),达到高速传输的目标,如最多8组天线、最大达160MHz的信道带宽,极速可至6.93Gbps。


由于是以兼容现有Wi-Fi标准为前提的发展,所以IEEE 802.11ac标准也被称为5G Wi-Fi,即第5代的Wi-Fi,严格而论是以速率标准来判别世代,第1代为1997年的原初Wi-FI,第2代为1999年的IEEE 802.11a/11b,第3代为2003年的IEEE 802.11g,第4代为2009年的IEEE 802.11n。Wi-Fi 11ac与WiGig 11ad相同,在IEEE标准中仍处于技术提案阶段、草版阶段,也预计在2012年底完成正式版本,不过之后确定递延至2013年底。



图二 : WI-Fi速率世代
图二 : WI-Fi速率世代

虽然正式标准都要到2012年底才能完成,但许多业者早已开始推行11ac、11ad的方案产品,此情景与2007年相同,2007年11n标准仍处于技术提案后的草版(Draft)阶段,但正式版本仍必须后延,业者等不及正式版本出炉,先行推出遵循草版标准的产品,之后再透过韧体、软件更新方式,将已售出的Draft n产品,升级成正式11n标准。


因此自2012年6月起,11ac、11ad方案即开始被推展,但以11ac的进度与接受度较高,多数业者与消费者仍以提升Wi-Fi传输率为首要卖点,家庭剧院级的无线视讯传输情境,则为次要诉求。


图三 : IEEE802.11ac速率表
图三 : IEEE802.11ac速率表

信息、消费性阵营的角力

了解上述四类型的高速无线通信后,多数人已可隐约体会,应用市场仅有2块,即Single-Room与Multi-Room,但却有4种技术标准,为何会出现每种应用需求有2种标准竞逐呢?


答案在于业者背景所形成的阵营,WiHD、WHDI是以日、韩消费性电子业者为主所形成的标准联盟,但WiGig与5G Wi-Fi则是以信息业者为主的团体,对相同取向的技术,有不同的应用看法。



图四 : WHDI强调多房间的实时视讯传递,可穿墙传输,楼上楼下间传输。(图片来源: WHDI机构官网)
图四 : WHDI强调多房间的实时视讯传递,可穿墙传输,楼上楼下间传输。(图片来源: WHDI机构官网)

对消费性电子阵营而言,WiHD只要达成高清晰画质的视讯内容,能以无线方式流畅播放即可,除此之外无其他应用需求,WHDI也同样被定位在单纯的视讯应用。


但信息领域的业者有不同的看法,Intel最初看好UWB,期望发展成PC的外部高速无线接口,可用于视讯、储存等外围联机需求,但UWB标准破局,Intel也放弃UWB发展,转而关注与UWB同属10m距离内的高速传输技术,即WiHD,并在参考、学仿该技术后,改提出能兼顾信息产业应用的WiGig。


相同的,以能穿墙传输的无线视讯传输技术WHDI,其原有技术即与Wi-Fi相近,因此用既有Wi-Fi标准扩展延伸,成为5G Wi-Fi,既能支持跨房间播放的应用需求,也能支持传统Wi-Fi应用,如无线打印、无线传档、上网、下载等。


除了系统业者间的需求差异外,消费性与信息阵营在芯片商方面的政策也有部份差异,WiHD、WHDI均以新创业者、小型业者为主,如WiHD以SiBEAM为主,WHDI以AMIMON为主。


相对的,WiGig以传统芯片大厂为主,如Broadcom、Marvell、Qualcomm Atheros等为主,但也加入台湾联发科技(MediaTek)与小型新创业者Wilocity。5G Wi-Fi更是完全以传统芯片大厂为主,即Broadcom。也因如此总会让人怀疑,Broadcom、Intel最初加入WiHD阵营的动机,是共同推展WiHD标准或参考学习WiHD技术?至于WHDI本与Wi-Fi技术相近,因此不需加入阵营也可熟悉技术。


图六 : WiGig实行兼容延伸既有的IEEE802.11标准(来源: WiGig机构官网)
图六 : WiGig实行兼容延伸既有的IEEE802.11标准(来源: WiGig机构官网)

信息 vs. 消费性电子阵营的长期角力

虽然信息阵营与消费性电子阵营对技术应用有不同看法,进而提出相仿但又相竞争的技术,但事实上两阵营的标准角力并非仅有无线通信技术,在实体线路所用的视讯接口上更早出现角力。


如1999年Silicon Image于信息领域提出DVI接口,而后于2002年消费性领域提出HDMI接口,然DVI无后续改善提升,迫使VESA组织于2006年提出DisplayPort以取代DVI,并对HDMI产生些许威胁,迫使Silicon Image针对信息领域提出UDI,但芯片大厂Intel、Samsung反对UDI,形成今日HDMI vs. DisplayPort,消费性电子与信息领域,对数字视频接口有不同的主张。


因此,阵营的对垒是持续发生于各层面,且胜负不一定在于技术本质的优劣,如DisplayPort实行较HDMI优异的传输技术,即微封包(Micro-Packet)技术优于TMDS技术,但事实是HDMI的市占率、芯片埠出货量、连接器及缆线等出货量,均高于DisplayPort(部份原因也在于HDMI较早推行)。


同理,信息阵营提出的WiGig、5G Wi-Fi看似能兼顾消费性领域与信息领域的应用,技术本质上较具优势,但并非如此即可保证,该技术能在产业快速拓展,在市场快速被终端用户所接受。(陆向阳)


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