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走入個人生活的WPAN
 

【作者: 李世凱】   2003年11月26日 星期三

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根據世界無線研究論壇(World Wireless Research Forum,WWRF)組織對無線通訊的未來發展所勾勒出的一個重要的願景架構圖裡,就有如一幅以個人為中心的多層同心球體(Multi-Sphere)未來無線通訊世界,如圖一所示。



《圖一 多層同心球體(Multi-Sphere)的未來無線通訊世界》
《圖一 多層同心球體(Multi-Sphere)的未來無線通訊世界》

未來無線通訊世界將是以短距離的近身網路(Body Network),如個人網路、家電網路(Home Network),及區域或辦公網路等;至於長距離的都會網路則是由(Metropolitan Network)、廣播網路、衛星網路,及龐大的資訊處理網路等所構成。許多在科幻小說中的無時不刻、無所不在和隨心所欲的夢幻通訊方式,隨著無線通訊技術的進步與蓬勃發展,慢慢地實現在現代的生活空間裡。


「科技發展用以服務人群」的人本精神,則是無線通訊發展研發上面不可或缺的一環,從目前的行動通訊2G、2.5G和3G對人們所提供的便利性,以及市場的迅速成長與普及,都可以得到應證。


構成未來的無線通訊世界的環節非常地多,本文將會對國際電機電子工程學會,及(IEEE)802.15組織所推動的無線個人網路的技術發展相關標準,作一個介紹。


IEEE 802組織及標準介紹

IEEE 802組織自1980年開始制定有線區域網路標準以來,底下成立了許多工作群組(Working Group,WG);從802.1的高層區域網路規約工作群組(Higher Layer LAN Protocols WG)、802.3的乙太網路工作群組(Ethernet WG),一直到了1990年跨入制定無線區域網路標準所成立的802.11無線區域網路工作群組(Wireless LAN WG)以來,802組織在無線通訊領域所扮演的角色愈形吃重。


一方面是在於802組織在有線通訊領域標準制定的經驗,另一方面則是在西元2000年後,802組織的802.11標準成功地從眾家標準中(如HiperLAN/2、HomeRF和Bluetooth等)脫穎而出,,並在世界上掀起一股無線區域網路通訊的熱潮;在此之後,802組織在無線通訊領域所成立的工作群組都格外地受到重視。


在短距離通訊的標準制定上,是由802.15組織中的無線個人網路工作群組(WPAN WG)來制定;在長距離通訊的標準制定上面,是由802.16組織為無線都會網路工作群組(WMAN WG)來制定;而在行動通訊的標準制定上面,則是由802.20組織為行動寬頻無線接取工作群組(MBWA WG)來制定。如圖二所示,這些都是目前802組織下的所有群組,其中TAG是代表技術顧問群組(Technical Advisory Group),SG則代表研究群組(Study Group)。



《圖二 IEEE 802組織下的群組》
《圖二 IEEE 802組織下的群組》

由於網際網路(Internet)的盛行,許多有關於IEEE 802的最新標準訊息,都可以很容易透過802的網站得悉。


IEEE 802.15組織及標準介紹

圖三為目前IEEE 802.15的組織圖,其中的WG指802.15這個組織;底下的TG則是標準制定的任務群組(Task Group),而SG則代表研究群組(Study Group),SG通常為TG成立之前的單位。組織單位的作用如下,TG1的前身為藍芽(Bluetooth)標準,標準範圍則涵蓋了媒介層(MAC)與實體層(PHY)、TG1a為TG1標準的增修版本、TG2則須解決共存於同一頻帶的WLAN標準與WPAN標準的干涉問題、TG3為無線個人網路的高速率通訊標準,標準範圍也涵蓋了媒介層與實體層、TG3a為另項高速率通訊實體層標準、TG4為無線個人網路的低速率通訊標準,標準範圍也是涵蓋了媒介層與實體層,以及SG4a為另項低速率通訊實體層標準。


表一則列出了這些群組的工作時程表,有些群組已經結束,有些則還在進行中,另外還有些是將要結束的群組。接下來,我們將對這些群組(標準)做一個簡單的介紹。



《圖三 IEEE 802.15的組織圖》
《圖三 IEEE 802.15的組織圖》

TG1

這個任務群組所要發展的標準–802.15.1,主要是由Bluetooth v1.1標準演變而來,圖四即為Bluetooth的架構圖。由圖中可以看出Bluetooth標準所涵蓋的範圍超出IEEE 802.15組織訂定標準的涵蓋範圍(MAC and PHY,即Baseband),因此TG1的工作任務在於調整,並轉換原Bluetooth v1.1標準的MAC及PHY兩階層,成為802.15.1所制定的標準。在此標準中還加上了描述服務接取點(Service Access Point,SAP)的介面標準,其中包括802.15.1與ISO/IEC 8802-2 LLC連結層控制接取的介面標準。



《圖四 Bluetooth的架構圖》
《圖四 Bluetooth的架構圖》

802.15.1 PHY標準與802.11b PHY標準,都是同樣操作在2.4GHz的ISM(Industry、Science和Medical)頻帶,並利用展頻跳頻技術,提供達1Mbps的資料傳輸速率。


IEEE-SA標準組織已在2002年6月公布802.15.1的標準,並可在IEEE-SA公布的半年後免費下載,因此有興趣的讀者可以到IEEE 802的網站免費下載802.15.1的標準。


TG1a

由於Bluetooth研究群組(Specific Interest Group)仍致力於完成Bluetooth v1.2的標準,因此IEEE 802.15組織成立了TG1a任務群組,以隨時將Bluetooth v1.2的MAC及PHY標準,調整與轉換成802.15.1a的標準。


802.15.1a的PHY標準,將會利用先進的展頻跳頻技術,來提供達10Mbps的資料傳輸速率,以期大幅提升現有藍芽應用的性能。至於802.15a的MAC標準為了便於快速部署,將會改進與802.11系統的共存性,並提供增強的語音處理能力、更快速地設立連接能力、增強的服務品質,以及提高藍芽無線連接安全性的匿名模式。


在2003年9月舉行的新加坡會議,則是TG1a第一次的正式會員會議。


TG2

當802.11 WLAN標準與802.15 WPAN標準操作在同一頻帶時,會因標準的不同而互相產生干擾,使得兩個系統無法同時運作。為了解決這一個問題,TG2成立了兩個團隊,一個是PHY團隊,另一個是MAC團隊,來從兩方面來克服;而克服的方法包含調適性的跳頻技術、封包長度的限制、傳送機制的調整,及傳送功率的控制等。詳細的技術內容、方法和文件,可以查尋802.15的網站。


TG3

TG3任務群組所要發展的標準為802.15.3,其目標是在於提供無線個人網路標準(WPAN-HR)至少達20Mbps以上的高傳輸速率,同時還提供了低功率消耗及低價格的標準,以應用在消費電子數位影像暨多媒體上面。目前已經有802.15.3標準的設備可供購買。


這標準的設備特點包括:


  • ●提供11、22、33、44及55Mbps的傳輸速率。


  • ●即時性的服務品質。


  • ●提供單點對單點的網路。


  • ●高安全性。


  • ●低功率消耗、低價格和適用於消費電子數位影像暨多媒體的應用。



TG3a

這個任務群組所要發展的標準,其目標同樣在於提供20Mbps以上的高傳輸速率無線個人網路標準,以作為802.15.3 PHY標準之外的另一項PHY標準的選擇。目前TG3a極為熱門,而眾所矚目的超寬頻通訊,如UWB和Ultra-Wide Band即為其中的提案。由於參與這項標準的提案非常地多,各家廠商經由合縱連橫,並依循制定標準的正常程序後,再由會員經由投票篩選,其通過的提案數會由23減少至12、6、3到1。


目前由TI所主導並和Intel結盟所提出的多頻帶正交頻分多工系統(Multi-band OFDM)提案,在2003年9月的新加坡會議中,仍未能如願取得75%的同意票,於是依程序退回至最後的3項候選提案。目前此3項提案經由廠商合併後,成為2項候選提案,以做最後的競爭優勢。


TG4

這個任務群組所要發展的標準,目標是在於提供低傳輸速率的無線個人網路標準–WPAN-LR,以維持數月乃至於數年的電池電力,並作為通訊時的功率消耗來源;而低複雜度和低價格也都是目標之一。在應用方面包括有感測器、互動玩具、警示器、遠端搖控,以及家庭自動化等。


目前已經有這項標準的設備可供購買。其特點包括:


  • ●提供20、40和250Kbps的傳輸速率。


  • ●提供即時性的回應服務,例如遊戲搖桿。


  • ●加入載波偵測多工接取,即“碰撞避免系統”(CSMA-CA)。


  • ●在2.4GHz的頻帶上有16個傳送通道、在915MHz頻帶上有10個傳送通道。及在868MHz頻帶上有1個傳送通道。


  • ●維持高信賴品質的全握手式(Fully Handshake)規約。


  • ●功率管理以維持低功率消耗。



此項標準也已經在2003年8月由Zigbee聯盟所認可。


SG4a

這個研究群組所要發展的標準,目標同樣是在於提供低傳輸速率的無線個人網路標準–WPAN-LR,並提供精準定位的能力、更多樣的傳輸速率與傳輸距離、提高網路整體傳輸率(Throughput),以及相對應的功率消耗與價格等,藉以創造和刺激新通訊產品的應用與開發;目前SG4a研究群組將邁入任務群組的階段。圖五列出這些標準之間的比較與差異,



《圖五 WLAN/WPAN各標準》
《圖五 WLAN/WPAN各標準》資料來源:IEEE

結論

IEEE 802組織自有線通訊領域跨足到無線通訊領域後,扮演著極為重要的角色,並積極發展未來通訊世界的遠景;目前已著手規劃許多相關的標準,例如在短距離通訊的標準制定上,是以802.15 WPAN標準和802.11 WLAN標準為代表,在長距離通訊的標準制定上,是以802.16 WMAN 標準為代表,以及在行動通訊的標準制定上,是以802.20 MBWA標準為代表。


近來可以發現,國內廠商對於參與IEEE 802無線標準會議已有較積極的態度,但是相較於鄰近的南韓和日本之下,仍顯得相當不足。日本或南韓公司及研究單位,如Samsung和ETRI等大批人力,參與會議和做相關技術提案(Contributions)及標準提案(Proposals)的能力,而台灣在此方面的能量就顯得相當渺小。因為國內廠商基於經費,或基於研發能量、人力、時程和短期利益等因素,仍不能擺脫獲利極低的無線標準跟隨者角色,以至於對於參與標準制定的意願相對顯得低落,也因此更難以轉型為高獲利的標準制定者角色。


在現今無線市場爭奪戰的技術卡位中,躋身於高獲利的標準制定者角色的重要性不言可喻,但因為在漫長的標準制定過程中,各家廠商早已默默地進行較量、妥協與合作,國內廠商如欲掌握先期獲利,則必須在標準組織中先佔一席之地。


<作者任職於工研院電通所:sklee@itri.org.tw>


延 伸 閱 讀
Apple專為Mac OS X所設計的Bluetooth產品,可以將使用 Palm 作業系統的個人數位助理、與 Bluetooth 技術相容的行動電話、PowerBook G4iBookPower Mac G4、或是 iMac,在 10 公尺(30 英呎)距離之內以無線方式彼此連結傳輸,讓Bluretooth應用在Mac OX,相關介紹請見「Bluetooth加到Mac上面」一文。
無線個人區域網路中,原以藍芽技術的呼聲最高,但市場上的實質發展仍相當侷限。在此同時,另兩項新技術正逐漸朝商品化的階段邁進,即高速傳輸的UltraWideBandIEEE 802.15.3a)與低耗電的ZigBeeIEEE 802.15.4),究竟這兩種新的WPAN技術有何特色?其對無線個人區域網路市場的影響為何?本文將為您作進一步的分析,你可在「新興短距離無線通訊技術–ZigbeeUWB」一文中得到進一步的介紹。
藍芽(Bluetooth)悄悄進佔許多主流消費產品與運算裝置,而用戶需求將開始迫使IT組織採購並支援藍芽裝置。有遠見的IT組織會搶在需求發生前先制訂政策,以及藍芽產品的相關採購標準,以供市場所需,在「藍芽無線市場現況分析」一文為你做了相關的評析。
相關組織網站
UWB官方網站
802.15官方網站
Bluetooth官方網站
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