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LTE 与 Wi-Fi 竞合将日趋激烈

2020-06-07  点赞155   浏览量:165
LTE 与 Wi-Fi 竞合将日趋激烈

在无线通讯成为资讯应用的主流,并伴随着资料用量大增,原先分别应用在行动电讯网路的 LTE 与多在室内环境的 Wi-Fi,也因为应用需求的变化而走向的暨合作又竞争的微妙关係。

目前所有市面上流行的资通讯(Information Communication Technology / ICT)产品都是相关技术竞争下的胜利者。通讯标準自然也不例外,个人电脑与笔记型电脑常用的无线网路(Wi-Fi)如此,现今人手一台,甚至好几台的智慧型手机与平板电脑常使用的长程演进(Long Term Evolution / LTE)亦是如此,过去这两者分居资料通讯界与电信网路不同领域井水不犯河水,但随着个人行动装置微小化,穿戴(Wearable)装置与物联网(Internet of Thing/IoT)打破许多应用的界线,两者之间的竞合终将越演越烈。

上个世纪还在大型电脑时代时即有网路连结各电脑的需要,许多不同电脑网路技术被发展出。那时大型的电机电子组织如电机电子工程协会(IEEE)并没有参与标準的制定。

各个技术分由不同公司组成联盟力推,由市场需要决定优胜劣败。在那时候,除了现存的乙太网路(Ethernet)外还包含 IBM 主推的记号环(Token Ring)、记号排(Token Bus) 等纷纷在市场上竞争,后来由成本较为低价的乙太网路(Ethernetr)胜出。

通讯标準牵涉到双方沟通的相容性。实有制定标準的需要,故后来 IEEE 将相关的区域网路(LAN)如乙太网路、记号排、记号环与 DQDB 分别订为 802.3,、802.4、802.5、802.6 标準以继续开发。以 802.3 为例,随着人类对有线网路通讯的需要,更快的速度陆续被参与标準的厂商讨论而制定出来,例如 802.3u 制定了 100 Mbps,而目前笔记型电脑随手可见的标準介面 1Gbps 乙太网路则使用 802.3ab 标準。

产品战场由市场改至标準组织内

无线网路(Wireless LAN/WLAN / Wi-Fi)由于较有线网路为晚发展,当时所有厂商已经意识到自己先推标準到市场并不符合成本效益,故纷纷于 IEEE 制订无线网路标準时加入讨论。

IEEE 将 WLAN 定为 802.11。最早 802.11 使用了两种展频技术:跳频与直接序列,后来又加入了正交频率分隔多工(OFDM)技术,每个标準在制定时,由于各个公司擅长领域不同,常为了细节制订在委员会会议上吵得不可开交。甚至乾脆自己先行偷跑,将尚未标準化的草稿(Draft)做成产品贩售到市场上,以赢得最大的市场佔有率。

无线电信或是蜂巢式(Cellular)技术演化也有类似结果,第二代电信标準为了达到移动通话无缝接轨的需要,制定了全球行动系统(Global System for Mobile / GSM),但现实是此由欧系通讯大厂(Nokia,、Ericsson 等)所制定的标準只统一了欧洲而已,美国与日本各自推出了自己的标準如 IS-95 与 PDC,为了达到行动电话能真正通行全球,做为联合国旗下组织的国际电信组织(ITU)制定了 IMT-2000 计画,为了符合这个标準,各国电信组织联合起来成立了第三代合作伙伴计画(3GPP),再由 3GPP 向 ITU 提案通过成为联合国官方的第三代(3G)通讯标準,近年 ITU 更制定了俗称 4G 的 IMT-Advanced,目前符合此标準的有 LTE-Advanced(LTE-A)与 IEEE 提出的 WiMAX2.0(802.16)。

无线区域网路与蜂巢技术有许多共通性

Wi-Fi 与 Cellular 有许多技术相似处。在 2000 年左右时,由于展频技术较 TDMA 使用较大连续频谱,理论上可得到较大的系统容量(Capacity)。IMT-2000 与 802.11 不约而同都使用展频做为其传输技术。

后来由于无线通讯应用的高速成长,特别是影像需要较大的传输速率,为了补偿高速讯号传输所造成的 ISI 效应,接收端所设计的等化器(Equalizer)越来越趋複杂,OFDM 本身只需极简的等化器设计在新一代传输中脱颖而出,成为 3GPP Release 8 (LTE)以及 IEEE 802.11a 以后的传输标準。不只调变技术,包含利用空间多工的多天线传输(MIMO)以及拓展可用频谱的载波聚合(Carrier Aggregation)等技术也都出现在两者当中。

由于两者使用的技术越来越类似,Wi-Fi 与 Cellular 过去至今主要以应用区分两者。Wi-Fi 以短距离室内高速、Cellular 以长距离室外低速为常见应用环境。由于 Wi-Fi 常以透过乙太网路为为主要对外高速存取介面。

面对 Cellular 越来越大资料量的需要,Wi-Fi 可透过分流(Off Load)方式减轻基地台负担,开启两者合作的契机。例如 Nokia 目前出货的基地台多数亦内建 Wi-Fi 之 Access Point(AP)。3GPP 首先在 Release 8 时已建立了 Wi-Fi 联结到演进封包核心网路(EPC)标準,一般行动终端(UE)可以透过信任(Trusted)或是非信任的 AP 两种不同路径联结进入核心网路(ANDSF)。

随着使用者移动到不同区域,LTE 的资料传输可以自动根据最适合的基地台或是 AP 来负责传输。除此之外,在目前讨论 Release 13(R13)标準当中,新型的 LTE 混和计画(LTE-Hybrid),透过基地台与手机内软体堆叠(Protocal Stack)内 PDCP(Packet Data Convergence Protocal)内整合 Wi-Fi 与 Cellular 两条路径同时传输,可以整合两个通讯标準加速整体传输速度。

面对通讯成长需要,两者需要相同资源

由于近代通讯技术持续进步,透过先进编码的发明,例如涡轮码(Turbo Code)与低密度同位检核码(LDPC)的诞生,先进的通讯传输已经趋近夏农(Shannon)极限。每单位频谱可传输资料进步已非常有限,不管是 Wi-Fi 或是 Cellular 都开始透过增加可用频谱(载波聚和)来增加整体的传输速度。

Wi-Fi 由于早年与蓝牙等共使用在 2.4GHz 壅挤的 ISM Unlicensed(无须授权)频段,IEEE 802.11ac 等现行技术成熟时就已经使用 5 GHz 的 Unlicensed 频段。在 5G 的频段中,约有快 500 MHz 等可用频段可以使用。

由于在目前 LTE 世代时,要找到一个全球各国共同接受的频段已经十分困难,故 LTE-A 与正在制定未来的 LTE-B(Release 12 以后)标準,皆瞄準此 5G 频段做为 LTE-Unlicensed (LTE-U)or LTE-LAA(Licensed Assist Access)可聚合频段。目前 LAA 已经于 3GPP RAN1 完成研究阶段(Study Item),将朝标準工作项目(Work Item)制订详细规格。

由于 LAA 将使用与 Wi-Fi 相同 5G 频段。为了相容 Wi-Fi 等既有设备,LAA 必须使用 Listen Before Talk(LBT)──也就是 Wi-Fi 与乙太网路所使用的载波感测多工(Carrier Sense Multiple Access / CSMA)技术。

纯以理论而言,LTE 与 Wi-Fi 虽在实体层皆使用 OFDM,但在媒体存取层(MAC)以上,LTE 由于在众手机端(UE)掌握度较 Wi-Fi 只简单使用 CSMA 要高,整体系统服务存取效率还是以 LTE 为优。但即使如此,传统 Wi-Fi 大厂如 Broadcom 与 Cisco 还是在 3GPP RAN1 会议中提出对现有 Wi-Fi 装置将会造成干扰表达忧虑。

除了高速应用,Wi-Fi 与 LTE-LAA 正研讨共用 5G 频段外,在低速物联网的另一端,两技术也同时竞争此应用。Wi-Fi 联盟提出了 IEEE 802.11ah 此低于 1GHz 频段做为物联网的使用技术,而 LTE 除了在 R12 前已定义之 Category 1(Cat1)传输 10 Mbps 之外,另外又在 R13 另外定义 Cat0,甚至传输速度只需 200Kbps 的 Cat-M(Machine Type Communication)。而在 R12 后甚至到未来 5G 都将扮演重要地位的小基地台(Small Cell)在在都威胁到既有 Wi-Fi 的应用地位。

两者竞合注定越演越烈

2000年 蓝牙技术刚兴起时,传输速度与 Wi-Fi 及 Cellular 差距不大,与此两者技术竞争下,一度屈居弱势,当时甚至还有蓝牙已死的言论出现,后来蓝牙专注于无线低速应用环境,在许多周边应用找到了自己的市场位置。

而源自电信网路在使用全 IP 化之 LTE 架构之后,已经跳脱原来语音和低速资料传输的领域,有与 Wi-Fi 直接竞争高速资料传输的可能,当然 Wi-Fi 在成本以及既有布建架构上还是有不少优势。由上述可知,LTE 将与 Wi-Fi 在现有合作分流与未来的竞争领域越来越紧密,LTE 与 Wi-Fi 之间的竞合将会是未来几年一个非常值得注意的话题。

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