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三大新技术加持,WIFI迎来发展新机遇

作者:时间:2017-10-20来源:网络收藏

  Wi-Fi装置出货量攀新高。Wi-Fi联盟指出,2016年802.11ac、802.11ad()及Wi-Fi Location等三大新技术,皆将有显著进展,可望为Wi-Fi市场挹注新的成长动能,让全球Wi- Fi装置出货量在今年底突破一百五十亿部。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/366465.htm

  ABI Research研究总监Phil Solis表示,随着Wi-Fi联盟认证计划不断扩大,Wi-Fi市场也持续增长。至今已有多达一百二十亿部Wi-Fi产品出货,2016年预期将再增加三十亿部,而可在2.4GHz和5GHz频段运作的双频装置出货量也将较去年增加,整体Wi-Fi市场成长力道依旧不减。

  因应Wi-Fi技术已被广泛采用,Wi-Fi联盟已拟定好今年的技术发展蓝图,包括将增加Wi-Fi效能和网络容量,以及提供符合各种应用和市场多元连接需求的独特能力。

  (802.11ad)

  在Wi-Fi联盟公布的2016年技术蓝图中,(802.11ad)即是一大发展重点。该联盟指出,2016年WiGig市场将显著成长,该技术将可与802.11ac技术互补,为室内连接带来多重Gigabit(Multi-Gigabit)的传输效能,促成如超高解析度(4K UHD)影像多重/同步串流等应用。未来,可支援2.4GHz、5GHz及的三频装置将提供最佳Wi-Fi效能,满足愈来愈严苛的使用情境。


图一

  在这里,我们来详细介绍一下WiGig。

  首先我们要了解一下关于IEEE 802.11的概念。IEEE 802.11是现今无线局域网通用的标准,它是由国际电机电子工程学会(IEEE)所定义的无线网络通信的标准。其中定义了媒体访问控制层(MAC层)和物理层。

  物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种扩频作调制方式和一种红外线传输的方式,总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备可以自行构建临时网络,也可以在基站(Base Station, BS)或者接入点(Access Point,AP)的协调下通信。为了在不同的通讯环境下获取良好的通讯质量,采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)硬件沟通方式。

  后来补充了两个版本,802.11a和802.11b。前者定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层,后者则定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。

  802.11ad,也就是无线千兆联盟(英语:Wireless Gigabit Alliance,缩写为WiGig),是一个致力于推动在无执照的60 GHz频带上,进行数千兆位元(multi-gigabit)速度的无线装置资料传输技术。

  802.11ad主要用于实现家庭内部无线高清音视频信号的传输,为家庭多媒体应用带来更完备的高清视频解决方案。802.11ad抛弃了拥挤的2.4GHz和5GHz频段,而是使用高频载波的频谱。由于频谱在大多数国家有大段的频率可供使用,因此802.11ad可以在MIMO技术的支持下实现多信道的同时传输,而每个信道的传输带宽都将超过1Gbps。据

  了解802.11ad的载频60GHz,速度是7Gbps。同时,802.11ad也面临技术上的限制。

  比如:60GHz载波的绕射能力很差,而且在空气中信号衰减很厉害,其传输距离、信号覆盖范围都大受到影响,这使得它的有效连接只能局限在一个很小的范围内。

  在理想的状态下,802.11ad最适合被用来作为房间内各个设备之间高速无线传输的通道。在整合802.11s和802.11z的基础上,802.11ad完全可以用来实现设备之间的文件传输和数据同步,速度将比第二代蓝牙技术快1000倍以上。当然,802.11ad最主要的用途还是用来实现高清信号的传输。

  802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的技术特点

  WiGig技术使用60 GHz频段,与2.4 GHz和5 GHz两种频段相比,60 GHz频段有更多频谱可供使用,从而通过使用低功率调制方案有更宽的信道来支持高达7 Gbps的更快数据传输速率,因此非常适合室内连接,以支持具有苛刻要求的包括视频在内的多媒体应用。

  WiGig/IEEE 802.11ad规范的主要特点包括:最大限度地提高性能;将实施的复杂度与成本降至最小;与现有Wi-Fi技术相协调;提供先进的安全保护。

  这些主要功能包括:

  1)支持高达7 Gbps的数据传输速率;

  2)独特的设计支持诸如手机等低功耗手持设备以及诸如电脑等高性能设备,还采用了先进的电源管理技术;

  3)设备能够透明地切换于在任意频段(包括2.4 GHz、5 GHz和60 GHz)上运行的802.11网络之间;

  4)支持波束赋形,可最大限度地提高信号强度,并可在10米之外的距离实现良好通信;

  5)使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode来进行安全保护;

  6)支持HDMI、DisplayPort、USB和PCIe的高性能无线实施。

  802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的物理层

  1)频谱与信道

  60 GHz频段无需获得授权,并被广泛使用。如图2所示,在60GHz频段内,不同国家可用的频谱有所差异:

  

  图2 各国在60GHz频段的可用频谱

  60 GHz频段的频谱资源比2.4 GHz和5 GHz频段要丰富得多——通常为7 ~8GHz频宽。与,60GHz频段也被划分为多条信道——802.11ad规范定义了四条信道,每条信道宽度为2.16 GHz。

  2)调制与编码

  802.11ad规范支持两种类型的调制和编码方案:

  1)OFDM。允许的最大传输速度高达7 Gbps;

  2)单载波。功耗较低,因此更适合于小型低功耗手持设备。单载波方案支持的传输速度最高为4.6 Gbps。

  这两种调制方案具备一些共同的要素(比如前导码和信道编码等),这就降低了实施的复杂度。

  据悉,在将来,所有的WiGig CERTIFIED设备都必须支持单载波调制,某些设备还必须支持OFDM。

  IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的MAC层

  IEEE 802.11ad规范的MAC层的新功能能够支持先进的使用模式,促进与Wi-Fi网络整合,可降低功耗,并可提供强大的安全保护。

  1)MAC架构

  如图3所示,IEEE 802.11ad规范定义了一个新的MAC架构,使得两个设备能够彼此间直接通信,从而开发出一些新的功能(如快速同步两台设备,以及向投影仪或电视机发送音视频数据等)。此外,IEEE 802.11ad规范还支持现行的802.11网络架构。

  

  图3 IEEE 802.11ad规范的MAC架构

  2)用户体验提升技术

  从图2可见,IEEE 802.11ad的MAC实现了在60 GHz频段连接不可用的情况下向2.4 GHz或5 GHz Wi-Fi的无缝回退,从而可极大提升用户体验(比如,在设备从60 GHz切换到频率较低的Wi-Fi信道的情况下,使用Wi-Fi/WiGig集成设备的用户将能够继续享受无中断连接。用户不但能够体验到高性能,而且还将能够自动利用60 GHz频段带来的额外速率)。

  3)电源管理技术

  WiGig CERTIFIED设备将可利用一种新的预定访问模式来降低功耗:通过定向连接互相通信的两台设备可以预定它们进行通信的时间段,在这些时间段期间,设备开始休眠。这种先进的功能使设备能够更精确地根据实际流量负负荷进行电源管理——这一点对于手机和其他手持式电池供电设备而言尤其重要。

  4)安全技术

  IEEE 802.11ad规范建立在IEEE 802.11标准定义的强大安全机制之上,WiGig CERTIFIED设备的加密功能基于政府级高级加密标准AES,并且可以在硬件中实施以实现高性能和高效率。

  802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的协议适配层(PAL)

  如图4所示,IEEE 802.11ad规范的协议适配层(PAL)允许以无线方式实施在MAC层和PHY层上直接运行的一些标准接口:

  

  图4 IEEE 802.11ad规范的协议适配层

  1)音频/视频:WiGig显示扩展(WDE)

  WDE支持无线传输视听数据(如从计算机或数码相机向电视机或投影仪传输电影)。这种PAL支持HDMI和DisplayPort接口以及用于保护通过这些接口传输的数字内容的高带宽数字内容保护(HDCP)方案的无线实施。它的扩展性允许它既可以传输压缩视频,也可以传输非压缩视频。

  2)输入/输出PAL:WiGig总线扩展,WiGig SD扩展,和WiGig串行扩展

  输入/输出PAL定义了在60 GHz频段上广泛使用的计算机接口的高性能无线实施。目前定义的I/O协议PAL)共有三种:WiGig总线扩展(PCIe)、WiGig SD扩展(安全数字I/O)、以及WiGig串行扩展(USB)。

  (1)WiGig 总线扩展

  在计算机内部,PCIe通常用于将CPU和内存连接到可支持存储、网络卡和其他接口的I/O控制器。此外,它也可以用来连接到媒体和视觉处理器,以提高图像质量或对CPU进行卸载处理。PAL的实施可支持设备之间的多吉比特无线同步,以及与存储和其他高速外围设备的连接。

  (2)WiGig SD 扩展

  SD存储卡被广泛用于移动设备,以进行各种文件的存储,如文档,图片,以及音视频内容。WiGig SD 扩展被用于从主设备访问安装在远程设备上的SD存储卡,比如从笔记本电脑上访问智能手机上的SD存储卡。WiGig SD 扩展适合资源有限的电池供电的设备,因为其为方便存储访问而优化了实施过程,并且文件传输速度可达数十亿位元,同时可显著节约能耗。

  (3)WiGig 串行扩展

  USB通常被用来将外围设备和其他设备连接到主机。这种USB PAL可支持USB设备之间的无线连通,并促进诸如USB扩展之类的产品的开发。WiGig串行扩展已经从Wi-Fi 联盟移交到USB-IF,用作无媒介限制串行总线规范的基础。

  802.11ac

  除了WiGig,802.11ac也将在2016年获得大幅成长,因其可提增Wi-Fi网络效能和网络容量。802.11ac Wave 2的功能,如更宽通道和MU-MIMO,将能让家庭、企业和服务供应商的网络达成更好的联网品质。Wi-Fi联盟预期,802.11ac有望成为至今出货量最高的技术版本。

  802.11ac,俗称5G WiFi (5th Generation of Wi-Fi),是一个802.11无线局域网(WLAN)通讯标准,它通过5GHz频带进行通讯。理论上,它能够提供最少1Gbps带宽进行多站式无线局域网通讯,或是最少500Mbps的单一连接传输带宽。作为802.11n的继承者。它采用并扩展了源自802.11n的空中接口(air interface)概念,包括:更宽的RF带宽(提升至160MHz),更多的MIMO空间流(spatial streams)(增加到 8),下行多用户的 MIMO (最多至4个),以及高密度的调变(modulation)(达到 256QAM)。


图六

  下面是关于它的四个知识:

  802.11ac没法给你一个Gigabit 级别(千兆比特)的吞吐量

  虽然WiFi联盟宣布,理论上它可以达到1.3 Gbps的吞吐量,是802.11n的2倍有余。意味着网络可以同时支持向多个设备传输高清品质视频流。 实际上你是无法看到802.11ac理论上1.3 Gbps的吞吐量的,除非你测试的地方是一个实验室而非你的办公室,而且要达到最高速度你需要支持3个数据流,每个数据流达到433 Mbps的吞吐量。典型的 802.11ac访问点可支持多达8个数据流,但很多客户端设备应该只支持一个。

  比如内置(博通)Broadcom BCM4335 Wi-Fi芯片的 Galaxy S4,芯片只支持一个数据流,你最多能看见433Mbps的速度。非官方的802.11ac设备早已经发货了,但是官方的第一代802.11ac设备也没法达到哪个速度,目前CNeET/ZDNet 用NetGear R6300 WiFi路由器测试的最高速率(吞吐量)是331Mbps。

  工作范围

  802.11ac支持5GHz频段,相比之前的2.4 GHz, 5GHz频段能够以更广大的空间提供更多的频道。但是5GHz的信号范围可能更小,这个跟它采用了“波束形成”的技术有关。以前的WiFi是对办公室设备全方位的信号覆盖,现在更强调直接从访问点(AP)到一个特定点设备的信号发送。

  目前还没有具体的解释,但是可不可以理解为如果某个802.11ac路由器只需覆盖几台设备的时候,比如8台,信号会非常好。但是人一多,你就得离AP(访问点)近点好? 真这样,这对以大型会议室的WiFi需求显然是不理想的。

  向下兼容

  所有的802.11ac产品将向下兼容802.11n网络的设备(比如某某笔记本),甚至是802.11g 的老设备。不过802.11ac也不是万能的,比如你买了一个802.11ac AP配合老设备,最大速度还是被限制在老设备的最大值上。兴庆现在许多支持802.11ac的新设备要来了,可以买来尝尝鲜。

  信道干扰问题

  做WiFi网络管理的人知道,2.4GHz的频段是非常挤的,理论上你可以使用14个信道,但是实际中,为了避免干扰,你可能只会用3个或4个信道,如果哪些信道相互干扰,网速就会直线下降。现在802.11ac频段提高到了5GHz,又是什么样的情况呢?

  如下图显示,802.11ac提速跟信道频率提高密不可分。802.11ac中的信道频率将提高到80至160MHz,数据速率显著增加,达到160MHz时,在美国这意味着最多允许5个信道。

  
图七

  Wi-Fi Location

  另外,Wi-Fi联盟力推的Wi-Fi Location也即将在2016年问世。Wi-Fi联盟表示,过去10年,Wi-Fi产品能力已显著扩增,包括屏幕镜射、无缝热点授权和近接感测(Proximity Awareness)等;而Wi-Fi Location计划将很快促成利用位置资讯的新形态应用。在Wi-Fi Location网络覆盖范围内,支援该技术的装置实现室内或户外的精准定位,此一能力将提供消费者、零售商、企业和服务供应商带来多种益处。

  Wi-Fi联盟总裁暨执行长Edgar Figueroa表示,Wi-Fi成功的基础是建立在一套不断演进的核心技术,藉由技术的持续精进,强化网络容量、效能,来满足现今和新兴的市场需求,同时维持最佳的使用体验。

  Wi-Fi定位技术的商业发展大约始于2002年,到2004开始有为数众多且较具规模的公司投入,包括Intel、Hitachi、Cisco等。

  Wi-Fi定位技术原理与系统架构

  在Wi-Fi定位系统中,为了估计行动终端装置的位置,在定位系统中需要测量无线基地台所发射的讯号强度,此讯号强度为距离的函数,在开放的空间中此讯号强度会随距离以log函数式衰减。

  Wi-Fi定位技术是以收到之无线讯号在此行动终端上的观察值为基础。通常,在空间中某一位置的观察值形成一种机率模型(probabilistic model),此机率模型描述了收到无线讯号的分布情形。

  为了提供Wi-Fi定位服务,需建立空间之无线讯号分布模型,首先将空间划分成一个个的取样点,在每一取样点(Sample Point)之观察讯号的分布,基本上是趋近于其邻近的无线讯号。为了建立每一取样点这样的机率模型,是需要从每一取样点去收集无线讯号强度资料。

  然而,在多数的环境里,取样点的总数目很大,因此从每一取样点都去收集无线讯号强度资料,就会变得不容易执行。所以,一般会仅选取一些取样点去执行实际量测,然后再由模拟或学理计算来得到其它取样点的讯号强度推估。例如,以那些实际的量测值为基础,然后再来作内插(interpolation)或外插(extrapolation)来得到其它取样点的讯号强度推估。因此,所产生的讯号强度推估资料会与无线资料被收集的多寡和地点有关。

  Wi-Fi定位系统通常以两阶段来处理,一为训练阶段,另一为追踪定位阶段。训练阶段是一离线阶段,系统在此阶段会撷取无线基地台在各所属区域里某些点的无线讯号强度,去收集与分析讯号的资料,以少量的取样点来推估整个空间的对应图,亦即radio map。

  在追踪定位阶段,行动终端装置利用所收到无线基地台之讯号强度,与此radio map相较,然后找出最佳匹配,做为行动终端装置的估计位置。整体系统运作方式流程如图四所示。

  就实测结果而言,在室内一般稳定的环境下,其定位准确度平均可达2公尺以内,而在室外环境,以台北市为实测环境,其定位准确度可达10~20公尺以内。

  Wi-Fi定位技术建置要领

  在实际建置的情况下,有两种建置型态,一为无线网路已布建完成之环境,另一种则是无线网路随同定位系统一起布建之环境。在第一种情况中,由于一开始规划无线网路并非以定位需求为出发点,因此在导入定位系统前,应先测试并做相当程度的调校,才能达到预期效果。而在第二种情况下,由于无线网路尚未建置,且室内外空间的环境对定位系统的布建具挑战性,因此需事先作好完善的环境测试,以利无线网路布建的规划,使得定位系统能够根据个别环境的差异予以最佳化,发挥更好的定位效果。因此,不同的环境与应用下,需采用不同策略弹性调整定位系统的布建。

图八

  在Wi-Fi定位系统中,由于其讯号强度易受不同环境之影响,其中包含温湿度、地形、无线网路布建方式、室内外等因子,而造成讯号品质不稳定,进而降低定位准确度。例如湿度较高的雨天环境中,由于空气所含之水份较多,造成讯号衰减情况较为严重,因此产生定位结果飘移之状况,降低定位效能。而在人群聚集的环境中,由于人体内所含水份的影响,加上人群的移动,也都会影响讯号分布的稳定性。此外,室内外环境变动也会发生讯号差异,室内变动性较小,而室外的影响因素较多,包含:车辆的移动、雨天晴天、地形等,皆影响着无线讯号的分布。由于不同的应用情境对于定位效能有不同的需求,因此除了无线网路的布建规划外,定位效能的调效亦显得格外重要。以下针对可能影响整体定位系统效能优劣的因素作一探讨。

  接取点(Access point)之影响

  就Wi-Fi定位技术原理来说,每个地点可以收到越多的讯号源,对于定位运算会更有帮助,当然定位结果也会更准确,一般而言,若能收到3~5个以上的讯号源,就可达到不错的定位效果。然而,并非在所有环境下越多的讯号源,一定会有越佳的定位准确度,此点可以由所推估的Radio Map中看出,讯号会因空间的影响而有不同的衰减程度。在定位运算中,每一个接取点在同一空间中讯号分布的乱度愈高,该空间每个位置的鉴别度就愈高,进而提升定位的准确度。例如在开阔平坦大厅中,由于阻隔物少,讯号的衰减程度小,而造成每个位置的相似性提高,将会影响定位的准确度。

  取样点密度与分布

  取样点之多寡与分布在建置定位系统时,需要事先规划与考量。一般来说取样点愈多,分布愈密愈广,其定位准确度愈高,但所需花费的时间与成本也相对提升。因此应先考量应用情境是否要求高准确度的定位结果,并调查使用环境的地形与接取点分布之状况,如此方能有效规划取样点分布与密度。一般来说,取样点之密度以2~3公尺一点较佳。

  空间复杂度

  无线讯号衰减之状况主要是看空间的复杂度而定。在开阔空间中,相邻两点之讯号差异较小,如中庭、大厅等。反之,在一个较封闭或是隔间较为复杂的环境中,讯号差异变化较大,会有利于定位核心的运算,但不一定会得到比较准确的结果。考量的重点在于如何创造出讯号的差异性,可透过无线网路基地台位置的调整以及讯号发射方向的改变,增加讯号特征分布的鉴别度,以有效提升定位准确度。

  其它因素

  在Wi-Fi定位系统建置上,其它考量的因素包含了行动终端的移动速度、无线讯号扫描的频率、不同无线网卡与设备的讯号差异等因素,皆会对定位结果有所影响,因此针对特定的应用情境,需考量这些因素的存在而加以控制。

  2016年,各种新计划的实施将使Wi-Fi技术得到进一步改进。Wi-Fi CERTIFIED™ ac更新版将提供多用户MIMO(Multi-user MIMO)等新功能,以提高性能和网络容量,从而使Wi-Fi速度超越现在的Gb限度。这些新功能将使用户能够实现Wi-Fi CERTIFIED ac的全部潜力,通过支持更快、可扩展性更高的运营商网络,可帮助满足运营商的需求。

  2016年预计还将启动WiGig CERTIFIED™计划,该计划对Wi-Fi CERTIFIED ac起到了补充作用,将使室内互联具备数Gb的性能。在推出Wi-Fi HaLow™之后,Wi-Fi联盟还将继续推进有关新频段的工作,以实现传送距离更长和功率更低的互联,这样的互联非常适合支持物联网中的各种节能应用以及其他工业应用。为了通过丰富Wi-Fi技术以继续推进创新,Wi-Fi联盟将与世界各地的监管部门合作,以扩大可用于Wi-Fi技术的频谱范围。



关键词: WIFI 60GHz WiGig

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