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Qorvo白皮書：5G還是.11ax？

日期：2018/6/8 11:01:19 作者：

5G，還是.11ax？
作者：Cees Links，Qorvo無線連接業(yè)務(wù)部總經(jīng)理

您是否曾經(jīng)疑惑為什么手機(jī)中設(shè)有三個無線電（LTE、Wi-Fi和藍(lán)牙），而平板電腦和電腦中通常都只有兩個（Wi-Fi和藍(lán)牙）？進(jìn)一步講，為什么您會知道Wi-Fi、藍(lán)牙和LTE這些名稱？5G或Zigbee呢？

當(dāng)無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)仍在繼續(xù)發(fā)展的同時，新的標(biāo)準(zhǔn)和專有技術(shù)（如Zigbee）也開始引起人們的注意。我們?nèi)绾螀^(qū)分噪聲和真正重要的信息？消費者是否應(yīng)該關(guān)心這些？圖1（如下所示）展示了在我們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮作用的各種無線技術(shù)。

雖然存在各種各樣的營銷言論，但從大局出發(fā)并了解發(fā)展趨勢相對比較容易。而且通常情況下它會提醒我們，我們是如何取得今天的成就。目前，只有三個因素比無線電技術(shù)更重要，而且我們在日常生活中也都遇到過。這三個因素就是覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率和功率。
（1）當(dāng)我們的手機(jī)連接至基站（或與基站斷開連接）時，或我們的筆記本電腦連接至家中路由器時，或我們的耳機(jī)連接至手機(jī)時，我們都會遇到覆蓋范圍問題。如果設(shè)備“在覆蓋范圍之外”，我們憑經(jīng)驗就能知道會發(fā)生什么。
（2）我們還非常熟悉數(shù)據(jù)速率，尤其是在我們觀看視頻或聽音樂的時候。迄今為止，Wi-Fi在數(shù)據(jù)速率領(lǐng)域一直占據(jù)著至高無上的地位，但我們已經(jīng)能夠利用LTE和5G實現(xiàn)類似的數(shù)據(jù)速率，盡管價格可能會更高。
（3）最后，盡管我們已經(jīng)習(xí)慣定期對手機(jī)和筆記本電腦進(jìn)行充電，但在那些令人煩心的時刻，即當(dāng)我們準(zhǔn)備使用耳機(jī)或智能腕帶等小型設(shè)備，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們沒電的那一刻，我們才會記起功耗的重要性。

這三個因素以一種有趣的方式（某種基本的物理定律）組合在一起。如果嘗試改進(jìn)其中一個因素，另外兩個因素就必須讓路。當(dāng)然，隨著時間的推移這三者已經(jīng)實現(xiàn)了整體改進(jìn)，但是相互之間的關(guān)系仍未發(fā)生改變。

例如，如果您想要提高數(shù)據(jù)速率，那么您必須縮小覆蓋范圍或提高輸出功率。目前速度（數(shù)據(jù)速率）更高的Wi-Fi卻擁有比過去更小的覆蓋范圍，而且通常都需要使用中繼器——這是分布式Wi-Fi或網(wǎng)格Wi-Fi發(fā)展的推動因素之一。這種關(guān)系同樣適用于Zigbee（“低功耗Wi-Fi”）。實質(zhì)上，Zigbee的覆蓋范圍和Wi-Fi一樣，數(shù)據(jù)速率也較低，但其功耗卻明顯更低，因此可實現(xiàn)非常長的電池續(xù)航時間。

這種平衡局面中還存在第四種因素，同樣基于物理定律，而且我們在日常生活中可能很少意識到這點。這個因素就是頻率。更高的頻率會縮小覆蓋范圍，或要求更高功率來實現(xiàn)相同的覆蓋范圍。但是更高頻率具有更多帶寬的優(yōu)勢，因此可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。這說明了為什么提高數(shù)據(jù)速率往往“需要”提高頻率。Wi-Fi的最新版本都是在60GHz頻段中實現(xiàn)的，目標(biāo)是實現(xiàn)高達(dá)100Gb/s的數(shù)據(jù)速率（.11ay）。

回到手機(jī)和筆記本電腦中的無線電技術(shù)

顯然，對于無線電技術(shù)我們有很多內(nèi)容可以說，但在很大程度上，這些參數(shù)就是在手機(jī)中采用三種無線電的原因。一種無線電（LTE）用于實現(xiàn)覆蓋范圍，以連接至離您小區(qū)最近的基站；一種無線電（Wi-Fi）用于實現(xiàn)家中或辦公室中的連接性能；最后一種無線電（藍(lán)牙）則用于實現(xiàn)短程連接至您隨身攜帶的小型設(shè)備，如手機(jī)耳機(jī)或智能腕帶。

那么，為什么筆記本電腦和平板電腦通常只采用兩種無線電呢？雖然存在一個合乎邏輯的答案，但我們還必須了解一點歷史知識。

在相對較短的時間里，我們已經(jīng)了解了三種新技術(shù)的發(fā)展和趨同：
（1）手機(jī)，通過低速數(shù)據(jù)通信的方式遠(yuǎn)程連接我們。
（2）無線電/電視，通過有線或衛(wèi)星運營商采用單向高速數(shù)據(jù)通信的方式進(jìn)行音頻/ 視頻廣播。
（3）電腦，包括將所有事物聯(lián)系在一起的雙向高速網(wǎng)絡(luò)。所有的通信最初都是通過有線電纜（銅或光纖）實現(xiàn)，但是隨著無線便利性的體現(xiàn)，無線通信開始流行起來。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，手機(jī)、電視、筆記本和平板電腦之間的差異開始慢慢消失。在某種程度上，它們都逐漸成為“聯(lián)網(wǎng)電腦”，但是仍擁有各自的無線通信標(biāo)準(zhǔn)歷史，因為它們都各自經(jīng)歷了從有線到無線技術(shù)的過渡。手機(jī)和電腦的發(fā)展更具動態(tài)性，但是由于電視基本上是靜態(tài)（非移動）設(shè)備，有線/ 衛(wèi)星行業(yè)大部分時間都停留在自己的有線世界之中。

隨著手機(jī)變得更類似于電腦（即智能手機(jī)），以及電腦開始支持各種類似于視頻和手機(jī)的通信能力，過去和目前發(fā)展的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有時候會存在矛盾，這點并不奇怪。

不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——發(fā)展截然不同

3GPP是當(dāng)今的無線手機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)；而IEEE 802.11則是無線電腦數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。3GPP主要由手機(jī)運營商及其政府贊助部門組成，因為運營商最初都是政府機(jī)構(gòu)。（在一些國家，運營商目前仍是政府機(jī)構(gòu)。）IEEE802.11在計算機(jī)行業(yè)根深蒂固。除了學(xué)術(shù)界和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，IEEE 802.11還擁有大批工程師會員，他們大部分由其雇主公司贊助。

IEEE 802.11和3GPP還具有另一個根本性區(qū)別。政府贊助的3GPP采用許可頻譜——可在一定時間內(nèi)獲得，用于提供通信服務(wù)。作為頻譜許可方，政府負(fù)責(zé)確保頻譜只能由被許可人使用。但I(xiàn)EEE 802.11卻并非如此。該標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)根據(jù)一組權(quán)限有限的規(guī)則制定了“無牌”頻帶（由政府撥出用于“免費使用”的頻段）領(lǐng)域適用的標(biāo)準(zhǔn)，這樣實際應(yīng)用的干擾范圍停留在局部。這些頻段被稱為ISM（工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)學(xué)）頻段，并可在2、5和60GHz頻段范圍內(nèi)找到。

贊助其工程師制定IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的公司需要強制遵守IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義。（IEEE 802.11本身并不對合規(guī)性進(jìn)行監(jiān)管。）所以，這些感興趣的公司成立了一個Wi-Fi聯(lián)盟，以便在Wi-Fi品牌下強制執(zhí)行和推廣IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)——毫不夸張的說，Wi-Fi品牌是當(dāng)今最有價值的品牌之一。另一方面，3GPP從未真正地致力于實施一個針對消費者的具有凝聚力的品牌戰(zhàn)略。

3GPP這樣做是有道理的，因為它是運營商組成的利益集團(tuán)，通常對市場具有一定的掌控力。它們從不需要像Wi-Fi和藍(lán)牙那樣去贏得消費者的支持。所以，它們無需擔(dān)憂品牌一致性問題，只需將一整套不斷完善的標(biāo)準(zhǔn)從GSM/GPRS遷移至3G、Edge、4G、LTE以及現(xiàn)在的5G，而這種遷移可能涉及一系列新的實施。

Wi-Fi的競爭與成功，以及電腦有兩個無線電的原因

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)Wi-Fi時，“3GPP領(lǐng)域”普遍都在問：為什么需要Wi-Fi？那時，3G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展順利并承諾實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，而連接至或集成至筆記本電腦的3G調(diào)制解調(diào)器可提供無所不在的連接。那么，為什么要使用Wi-Fi呢？人們普遍認(rèn)為，“無牌技術(shù)”遲早會消失，因為在無牌頻帶中，缺乏監(jiān)管會導(dǎo)致性能呈螺旋形迅速下降。

當(dāng)然，如今我們都知道結(jié)果截然不同。Wi-Fi已經(jīng)找到了一種方法使其能夠在無牌ISM頻段中適當(dāng)運行，并滿足室內(nèi)、家中或建筑中的無線連接需求，而3G卻不具備良好的穿透性能。通過從2.4GHz頻段發(fā)展到5GHz頻段，Wi-Fi可迅速提高其數(shù)據(jù)速率，并擴(kuò)展其能力。此外，通過發(fā)展至60GHz頻段，其數(shù)據(jù)速率和能力預(yù)計將進(jìn)一步提高。

増程器技術(shù)以及最近的分布式Wi-Fi（“Wi-Fi網(wǎng)格”）理念亦為Wi-Fi迄今為止取得的成功提供了支持。Wi-Fi之所以能夠成功，其中一個很重要的原因就是通過3G實現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信要求手機(jī)運營商訂閱付費服務(wù)，并需要一個初期成本非常高的數(shù)據(jù)計劃，更不必說漫游費用。相比之下，Wi-Fi是免費的——或至少，通過固定電話、ISDN和之后的ADSL實現(xiàn)的Wi-Fi技術(shù)增量成本比較有限。

所以現(xiàn)在出現(xiàn)了有線運營商與無線運營商直接競爭的局面，最終推動Wi-Fi獲得了全球認(rèn)可。由于擔(dān)心如果“過度使用”3G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信會導(dǎo)致語音服務(wù)崩潰，無線運營商最初不鼓勵使用3G技術(shù)（因而鼓勵使用 Wi-Fi），從而為Wi-Fi的推廣做出了貢獻(xiàn)。盡管3G實際上被設(shè)計用于語音通信，但通過將3G營銷為具有數(shù)據(jù)元素，3G支持者在這方面并未幫助到自己。

順便說一下，這回答了為什么大多數(shù)電腦和平板電腦只有兩種無線電這個問題。由于Wi-Fi可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的多功能網(wǎng)絡(luò)連接，所以很少將3G許可無線電（及其后繼者）集成到電腦或平板電腦中。集成式3G無線電的成本相對來說太高。當(dāng)需要移動解決方案時，用戶過去一直會轉(zhuǎn)向3G軟件狗之類的設(shè)備，而現(xiàn)在用戶通常會使用手機(jī)熱點。

Wi-Fi與藍(lán)牙（現(xiàn)在還有Zigbee）

當(dāng)Wi-Fi與3G之間的競爭逐漸明朗時，另一場較量也開始出現(xiàn)。一些手機(jī)行業(yè)的供應(yīng)商（特別是愛立信和諾基亞）發(fā)現(xiàn)了ISM頻段的另一種用途——在連接熱點下載信息以及在將無線耳機(jī)和其他設(shè)備連接至手機(jī)時，用于提高手機(jī)連接性。為創(chuàng)建一個針對手機(jī)連接性的標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙SIG（特別興趣小組）由此成立，小組成員均為公司（與IEEE802.11的工程師成員相反）。不久，藍(lán)牙SIG附和了3GPP的觀點，聲明Wi-Fi是多余的，并向市場宣布Wi-Fi很快就會消失。

同樣，沒過多久。幾年后，人們發(fā)現(xiàn)Wi-Fi和藍(lán)牙擁有各自確定的應(yīng)用領(lǐng)域，即Wi-Fi用于“聯(lián)網(wǎng)”，藍(lán)牙用于“外圍設(shè)備連接”。自那以后，許多設(shè)備都開始采用Wi-Fi和藍(lán)牙——Wi-Fi用于實現(xiàn)高速聯(lián)網(wǎng)，而藍(lán)牙用于連接設(shè)備。曾經(jīng)有一段時間，有人試圖使藍(lán)牙成為IEEE的一部分，但是組織和成員差異性讓兩者無法相融。

有趣的是，兩者之間的后續(xù)較量如今正在進(jìn)行中。Wi-Fi的低功耗版本Zigbee（基于IEEE 802.15.4）正受到來自藍(lán)牙的低功耗版本BLE（藍(lán)牙低功耗）的威脅。藍(lán)牙SIG正在開發(fā)一種聯(lián)網(wǎng)版本（Bluetooth Mesh），計劃與Zigbee展開競爭。然而，早期提案表明，實現(xiàn)Zigbee中已經(jīng)可用的功能似乎需要大幅提高BLE的復(fù)雜性。讓我們拭目以待。

頻譜可用性

通過增加全球監(jiān)管當(dāng)局提供的無線電頻譜數(shù)量，這些無線電技術(shù)的發(fā)展就成為了可能。圖2和3（如下所示）粗略地顯示了所涉及的主要技術(shù)和頻段。2019年世界無線電通信大會上，預(yù)計會對Wi-Fi和5G進(jìn)行全新分配，以支持無線數(shù)據(jù)通信不斷增長的需求。頻譜可用性和使用狀況的具體細(xì)節(jié)超出了本文的范圍。

手機(jī)運營商和Wi-Fi…合作？

也許有人會認(rèn)為，3G與Wi-Fi競爭之后，兩種技術(shù)之間的界限就會清楚——Wi-Fi用于私人空間（家、辦公室），而3G可用于任何地方。但事實并非如此。最初 3GPP 的手機(jī)運營商自然非常懷疑所謂“熱點”的發(fā)展，人們在公共區(qū)域能夠使用高速互聯(lián)網(wǎng)，且無需訂閱服務(wù)。對于手機(jī)運營商來說幸運的是，事實表明運行大量熱點并不是一項簡單的工作，特別是在大型零售店和連鎖酒店、城市、火車等地方。公共熱點公司已經(jīng)逐漸被手機(jī)運營商吞并，而且手機(jī)運營商還開始進(jìn)一步采用Wi-Fi技術(shù)，并了解到“無牌”并非聽起來那么糟糕。運營商甚至還制定了使用公共熱點和私有路由器來“減負(fù)”的戰(zhàn)略。換句話說，就是使用Wi-Fi連接的熱點提供傳統(tǒng)的手機(jī)服務(wù)。

與此同時，消費者和公司了解到運行Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將變得更加復(fù)雜，且手機(jī)運營商（最近還包括有線運營商）開始發(fā)現(xiàn)私有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是它們的商機(jī)，可幫助消費者和小型公司運行其Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。

最后，隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長，尤其是通過視頻應(yīng)用程序（如YouTube）的數(shù)據(jù)流量增長，運營商需要加大容量。但是，獲得更多頻段并非易事。除了利用Wi-Fi，實現(xiàn)這一容量的更快捷方法就是認(rèn)識到，3G、4G或LTE技術(shù)的后繼技術(shù)也能夠在ISM頻段中運行。這種認(rèn)識產(chǎn)生了LTE-LAA（LTE-許可輔助訪問）概念。3GPP規(guī)范允許在同一個5GHz頻譜中使用Wi-Fi和LTE-LAA。首款LTE-LAA裝置目前正在計劃階段，但是對于LTE-LAA是否會受歡迎，我們將拭目以待。

那么，目前正在發(fā)生什么以及未來將會發(fā)生什么？

基于對這一歷史背景的了解，我們可以看到一場新的角逐即將開始。IEEE 802.11一直都在努力實現(xiàn)更高速版本（.11n和.11ac），且正在完成 .11ax。與此同時，3GPP開始在4G/LTE基礎(chǔ)上繼續(xù)前進(jìn)，并大力投資5G技術(shù)。（說句題外話，Wi-Fi聯(lián)盟在營銷方面表現(xiàn)出色，它們把所有東西都稱為高速Wi-Fi；而3GPP則繼續(xù)以技術(shù)為驅(qū)動力，明確不同代的技術(shù)，并制造阻礙順利遷移的各種混亂。）

無論如何，如今（再次）討論哪項技術(shù)將勝出完全在意料之中。5G還是IEEE 802.11ax ？兩者都可實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率（Gb/s），兩者都將消耗大量功率以獲得良好的覆蓋范圍，同時兩者都試圖進(jìn)入對方的領(lǐng)域。5G聲稱有“方法提高室內(nèi)穿透性”，而 .11ax的口號則是“5G已經(jīng)到來，名為 .11ax”。

雖然隨著數(shù)據(jù)速率的提升，覆蓋范圍肯定會縮小，但I(xiàn)EEE 802.11ax已經(jīng)制定出了一條清晰的行動計劃。有趣的是，通過將這個全新的IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)集中用于分布式Wi-Fi（Wi-Fi網(wǎng)格）上，并同時啟用多個信道以便將不同房間的多個接入點連接至主路由器，Wi-Fi已經(jīng)將這一劣勢轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。IEEE 802.11ax關(guān)注的焦點是完全的室內(nèi)覆蓋——家里或辦公樓的每個角落和縫隙都可實現(xiàn)同樣的高數(shù)據(jù)速率，打造一種不容易被5G替代的體驗。（為免這種體驗聽起來令人難以置信，IEEE 802.11ax最終成為一個非常難以實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，且其實現(xiàn)時間又被推遲了6個月，預(yù)計將于2019年年初獲批。）

然而，5G正面臨著其獨有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括延遲。盡管5G提高了數(shù)據(jù)速率，但其覆蓋范圍卻縮小了，且手機(jī)基站的覆蓋范圍開始“按平米計算”。預(yù)計5G的覆蓋范圍可能縮小不到一半，這就要求基站數(shù)量增加4倍多。在人口密集的市區(qū)尋找安置基站的空間成本較高，這意味著推出5G基礎(chǔ)設(shè)施的開銷巨大，與此同時許多運營商的4G投資尚未回本。

盡管情況會隨著國家和手機(jī)運營商財務(wù)結(jié)構(gòu)的不同而有所差異，但我們認(rèn)為如果想要留住渴望獲得更高數(shù)據(jù)速率的消費者和企業(yè)客戶，就需要提高數(shù)據(jù)速率，尤其是在人口密集的環(huán)境中，許可頻譜的使用比無牌頻帶的使用更好控制。所以，對進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)5G技術(shù)的投資仍在繼續(xù)，且計劃于2018年年初（韓國冬奧會前后）進(jìn)行首次試驗。

結(jié)論

那么，誰將在競爭中取勝？老實說，甚至都不應(yīng)該有競爭。5G和Wi-Fi都有非常特別的特性，有益于將“電腦”（包括可分類到這一項下的所有設(shè)備）連接至互聯(lián)網(wǎng)。所以，運營商如果能夠充分利用這兩項技術(shù)的優(yōu)勢，并定義和執(zhí)行同時利用這兩項技術(shù)的戰(zhàn)略，就能在競爭中取勝。從這個角度來看，這些技術(shù)競爭的最終贏家將會是最終用戶。

關(guān)于作者
Cees Links是GreenPeak Technologies的創(chuàng)始人和原首席執(zhí)行官，該公司現(xiàn)在已經(jīng)成為Qorvo的一部分。在其任職期間，公司開發(fā)出了首個無線LAN，該技術(shù)最終成為家喻戶曉的技術(shù)，集成到個人電腦和筆記本電腦之中。他還率先開發(fā)了接入點、家庭組網(wǎng)路由器和熱點基站。他參與了IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)化委員會和Wi-Fi聯(lián)盟的籌建工作。另外，他還在IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)化委員會的組建中發(fā)揮了重要作用，該標(biāo)準(zhǔn)后來成為ZigBee傳感和控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。自GreenPeak被Qorvo收購以來，Cees一直在Qorvo無線連接業(yè)務(wù)部擔(dān)任總經(jīng)理一職。作為Wi-Fi技術(shù)先鋒，他最近榮獲了Golden Mousetrap終身成就獎。

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