LTE 與 Wi-Fi 競合將日趨激烈

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 01 日 10:30 | 分類 精選 , 網路 follow us in feedly
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在無線通訊成為資訊應用的主流,並伴隨著資料用量大增,原先分別應用在行動電訊網路的 LTE 與多在室內環境的 Wi-Fi,也因為應用需求的變化而走向的暨合作又競爭的微妙關係。



目前所有市面上流行的資通訊(Information Communication Technology / ICT)產品都是相關技術競爭下的勝利者。通訊標準自然也不例外,個人電腦與筆記型電腦常用的無線網路(Wi-Fi)如此,現今人手一台,甚至好幾台的智慧型手機與平板電腦常使用的長程演進(Long Term Evolution / LTE)亦是如此,過去這兩者分居資料通訊界與電信網路不同領域井水不犯河水,但隨著個人行動裝置微小化,穿戴(Wearable)裝置與物聯網(Internet of Thing/IoT)打破許多應用的界線,兩者之間的競合終將越演越烈。

上個世紀還在大型電腦時代時即有網路連結各電腦的需要,許多不同電腦網路技術被發展出。那時大型的電機電子組織如電機電子工程協會(IEEE)並沒有參與標準的制定。

各個技術分由不同公司組成聯盟力推,由市場需要決定優勝劣敗。在那時候,除了現存的乙太網路(Ethernet)外還包含 IBM 主推的記號環(Token Ring)、記號排(Token Bus) 等紛紛在市場上競爭,後來由成本較為低價的乙太網路(Ethernetr)勝出。

通訊標準牽涉到雙方溝通的相容性。實有制定標準的需要,故後來 IEEE 將相關的區域網路(LAN)如乙太網路、記號排、記號環與 DQDB 分別訂為 802.3,、802.4、802.5、802.6 標準以繼續開發。以 802.3 為例,隨著人類對有線網路通訊的需要,更快的速度陸續被參與標準的廠商討論而制定出來,例如 802.3u 制定了 100 Mbps,而目前筆記型電腦隨手可見的標準介面 1Gbps 乙太網路則使用 802.3ab 標準。

 

產品戰場由市場改至標準組織內

無線網路(Wireless LAN/WLAN / Wi-Fi)由於較有線網路為晚發展,當時所有廠商已經意識到自己先推標準到市場並不符合成本效益,故紛紛於 IEEE 制訂無線網路標準時加入討論。

IEEE 將 WLAN 定為 802.11。最早 802.11 使用了兩種展頻技術:跳頻與直接序列,後來又加入了正交頻率分隔多工(OFDM)技術,每個標準在制定時,由於各個公司擅長領域不同,常為了細節制訂在委員會會議上吵得不可開交。甚至乾脆自己先行偷跑,將尚未標準化的草稿(Draft)做成產品販售到市場上,以贏得最大的市場佔有率。

無線電信或是蜂巢式(Cellular)技術演化也有類似結果,第二代電信標準為了達到移動通話無縫接軌的需要,制定了全球行動系統(Global System for Mobile / GSM),但現實是此由歐系通訊大廠(Nokia,、Ericsson 等)所制定的標準只統一了歐洲而已,美國與日本各自推出了自己的標準如 IS-95 與 PDC,為了達到行動電話能真正通行全球,做為聯合國旗下組織的國際電信組織(ITU)制定了 IMT-2000 計畫,為了符合這個標準,各國電信組織聯合起來成立了第三代合作夥伴計畫(3GPP),再由 3GPP 向 ITU 提案通過成為聯合國官方的第三代(3G)通訊標準,近年 ITU 更制定了俗稱 4G 的 IMT-Advanced,目前符合此標準的有 LTE-Advanced(LTE-A)與 IEEE 提出的 WiMAX2.0(802.16)。

 

無線區域網路與蜂巢技術有許多共通性

Wi-Fi 與 Cellular 有許多技術相似處。在 2000 年左右時,由於展頻技術較 TDMA 使用較大連續頻譜,理論上可得到較大的系統容量(Capacity)。IMT-2000 與 802.11 不約而同都使用展頻做為其傳輸技術。

後來由於無線通訊應用的高速成長,特別是影像需要較大的傳輸速率,為了補償高速訊號傳輸所造成的 ISI 效應,接收端所設計的等化器(Equalizer)越來越趨複雜,OFDM 本身只需極簡的等化器設計在新一代傳輸中脫穎而出,成為 3GPP Release 8 (LTE)以及 IEEE 802.11a 以後的傳輸標準。不只調變技術,包含利用空間多工的多天線傳輸(MIMO)以及拓展可用頻譜的載波聚合(Carrier Aggregation)等技術也都出現在兩者當中。

由於兩者使用的技術越來越類似,Wi-Fi 與 Cellular 過去至今主要以應用區分兩者。Wi-Fi 以短距離室內高速、Cellular 以長距離室外低速為常見應用環境。由於 Wi-Fi 常以透過乙太網路為為主要對外高速存取介面。

面對 Cellular 越來越大資料量的需要,Wi-Fi 可透過分流(Off Load)方式減輕基地台負擔,開啟兩者合作的契機。例如 Nokia 目前出貨的基地台多數亦內建 Wi-Fi 之 Access Point(AP)。3GPP 首先在 Release 8 時已建立了 Wi-Fi 聯結到演進封包核心網路(EPC)標準,一般行動終端(UE)可以透過信任(Trusted)或是非信任的 AP 兩種不同路徑聯結進入核心網路(ANDSF)。

隨著使用者移動到不同區域,LTE 的資料傳輸可以自動根據最適合的基地台或是 AP 來負責傳輸。除此之外,在目前討論 Release 13(R13)標準當中,新型的 LTE 混和計畫(LTE-Hybrid),透過基地台與手機內軟體堆疊(Protocal Stack)內 PDCP(Packet Data Convergence Protocal)內整合 Wi-Fi 與 Cellular 兩條路徑同時傳輸,可以整合兩個通訊標準加速整體傳輸速度。

 

面對通訊成長需要,兩者需要相同資源

由於近代通訊技術持續進步,透過先進編碼的發明,例如渦輪碼(Turbo Code)與低密度同位檢核碼(LDPC)的誕生,先進的通訊傳輸已經趨近夏農(Shannon)極限。每單位頻譜可傳輸資料進步已非常有限,不管是 Wi-Fi 或是 Cellular 都開始透過增加可用頻譜(載波聚和)來增加整體的傳輸速度。

Wi-Fi 由於早年與藍牙等共使用在 2.4GHz 壅擠的 ISM Unlicensed(無須授權)頻段,IEEE 802.11ac 等現行技術成熟時就已經使用 5 GHz 的 Unlicensed 頻段。在 5G 的頻段中,約有快 500 MHz 等可用頻段可以使用。

由於在目前 LTE 世代時,要找到一個全球各國共同接受的頻段已經十分困難,故 LTE-A 與正在制定未來的 LTE-B(Release 12 以後)標準,皆瞄準此 5G 頻段做為 LTE-Unlicensed (LTE-U)or LTE-LAA(Licensed Assist Access)可聚合頻段。目前 LAA 已經於 3GPP RAN1 完成研究階段(Study Item),將朝標準工作項目(Work Item)制訂詳細規格。

由於 LAA 將使用與 Wi-Fi 相同 5G 頻段。為了相容 Wi-Fi 等既有設備,LAA 必須使用 Listen Before Talk(LBT)──也就是 Wi-Fi 與乙太網路所使用的載波感測多工(Carrier Sense Multiple Access / CSMA)技術。

純以理論而言,LTE 與 Wi-Fi 雖在實體層皆使用 OFDM,但在媒體存取層(MAC)以上,LTE 由於在眾手機端(UE)掌握度較 Wi-Fi 只簡單使用 CSMA 要高,整體系統服務存取效率還是以 LTE 為優。但即使如此,傳統 Wi-Fi 大廠如 Broadcom 與 Cisco 還是在 3GPP RAN1 會議中提出對現有 Wi-Fi 裝置將會造成干擾表達憂慮。

除了高速應用,Wi-Fi 與 LTE-LAA 正研討共用 5G 頻段外,在低速物聯網的另一端,兩技術也同時競爭此應用。Wi-Fi 聯盟提出了 IEEE 802.11ah 此低於 1GHz 頻段做為物聯網的使用技術,而 LTE 除了在 R12 前已定義之 Category 1(Cat1)傳輸 10 Mbps 之外,另外又在 R13 另外定義 Cat0,甚至傳輸速度只需 200Kbps 的 Cat-M(Machine Type Communication)。而在 R12 後甚至到未來 5G 都將扮演重要地位的小基地台(Small Cell)在在都威脅到既有 Wi-Fi 的應用地位。

 

兩者競合注定越演越烈

2000年 藍牙技術剛興起時,傳輸速度與 Wi-Fi 及 Cellular 差距不大,與此兩者技術競爭下,一度屈居弱勢,當時甚至還有藍牙已死的言論出現,後來藍牙專注於無線低速應用環境,在許多周邊應用找到了自己的市場位置。

而源自電信網路在使用全 IP 化之 LTE 架構之後,已經跳脫原來語音和低速資料傳輸的領域,有與 Wi-Fi 直接競爭高速資料傳輸的可能,當然 Wi-Fi 在成本以及既有布建架構上還是有不少優勢。由上述可知,LTE 將與 Wi-Fi 在現有合作分流與未來的競爭領域越來越緊密,LTE 與 Wi-Fi 之間的競合將會是未來幾年一個非常值得注意的話題。

(首圖來源:Flickr/Charleston’s TheDigitel CC BY 2.0) 

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