電子學的發展起源於人類對通訊的需求,肇始於1845年誕生的電報,接著是1876年問世的電話;而在世紀之交,無線和真空管技術促成了通訊的真正騰飛。今日,通訊主導電子產業,無線技術則是通訊的最大組成部分。有鑑於不斷發展的蜂巢式基礎建設和物聯網(IoT)等產業活動,無線技術領域可望持續成長;以下是今後幾年該領域的重點技術發展趨勢。

4G技術現況

4G就是長程演進計畫(Long Term Evolution,LTE);LTE是一種OFDM技術,是目前蜂巢式系統的主要架構。2G和3G系統目前還在使用,4G則是在2011~2012年期間才開始實際佈署;而LTE已經成為營運商們展現誰能最快發展4G的競爭手段。

今日美國、亞洲和歐洲的主要電信營運商大都已經佈署了LTE,雖然其全面實際佈建還未完成——不同營運商之間策略差異很大——但已經接近目標。LTE取得了很大的成功,大多數智慧手機用戶利用該技術實現快速下載和視訊串流播放。不過,並非一切都很完美。

雖然LTE承諾下載速度可達100Mb/s,但實際上還未達標;目前的LTE傳輸速率為40Mb/s或50Mb/s,而且是在特殊的環境下——當4G訊號滿格和網路流量最少的情況下,偶爾可以達到這個速度,更常見的速率可能在10~15Mb/s;在白天的業務高峰期間,速度超過幾Mb/s已經算運氣好了,雖然這不至於讓LTE失敗,但這實意味著該技術還未充分發揮潛能。

LTE未能提供所承諾性能的原因之一是有太多用戶,LTE超賣了;今天幾乎人手一支智慧型手機,而且都希望快速上網,在這種重度使用條件下,為了服務更多用戶,下載速度只好降低。

不過LTE還是有希望的;大多數營運商還沒有佈署LTE-Advanced,也就是可承諾更高速度的LTE增強版本;LTE-A使用載波聚合(carrier aggregation,CA)技術提升速度。CA將LTE的標準20MHz頻寬整合成40、80或100MHz連續或不連續的區塊(chunk)實現更高的資料速率;LTE-A還定義8×8的MIMO配置,而大多數營運商還未實現舊版LTE的 4×4 MIMO,因此當營運商啟動這些先進功能時,下載速度就可能達到1Gb/s。

市場研究機構ABI Research預測,到2020年將有61%的智慧型手機搭載LTE-CA功能。這種LTE-CA技術一般被稱為LTE-Advanced Pro或4.5GLTE,被3GPP標準開發小組定義為Release 13。包括CA以及授權輔助接取(Licensed Assisted Access,LAA)——也就是一種在5GHz免授權Wi-Fi頻譜內使用LTE的技術。

LTE-CA還部署LTE-Wi-Fi鏈路聚合(LWA)和雙連結,允許一支智慧型手機同時與一個小蜂巢式基地台和一個Wi-Fi接取點通話;還有許多其他功能在此不贅述,總之其整體目標是透過降低延遲以及將資料速率提升到1Gb/s,來延長LTE壽命。

但這還不是全部;隨著營運商開始施行小型基地台(small-cell)策略,LTE還能提供更高的性能、向更多使用者提供更高資料傳輸速率;小型基地台就是微型化的蜂巢式基地台,可以安裝在任何地方,用於填補大型蜂巢式基地台的覆蓋空隙,在需要的地方增加網路容量。

另外一種提升性能的方法是使用Wi-Fi卸載(Wi-Fi offload),這種技術將快速下載任務轉交給附近可用的Wi-Fi接取點(AP)。雖然只有少數營運商做到,但大多數營運商正在考慮一種被稱為LTE-U(其中U代表免授權)的LTE改善方案;這是一種類似於LAA的技術,當網路無法負擔時,使用5GHz免授權頻段實現快速下載。不過這種方法與同樣使用5GHz頻段的最新版Wi-Fi 802.11ac會有頻譜衝突。

可以說,4G還有很長的生命週期;今後幾年營運商終究會將所有或某些改善技術付諸實現。舉例來說,我們還沒有見到VoLTE(voice-over-LTE)廣泛部署;只是要記住,智慧型手機製造商也會透過軟/硬體升級配合這些LTE技術改善,這些技術演進最終實現的時間,可能剛好就是開始見到5G系統上線的時間。

5G技術嶄露頭角

5G還沒有實現,目前你所見到、聽到的都只能算是話題炒作,營運商和供應商已經在暗暗較勁,等著看誰最快推出。雖5G技術的研發正如火如荼進行,然而在永無止境地追求新應用、更多用戶和更高利潤的營運商眼中,5G仍是一個夢想。

3GPP正在訂定5G標準,不過還要等上幾年時間;支援和管理該標準的國際電信聯盟(ITU)將該標準稱為IMT-2020,並透露最終版本會在2020年前公佈,但隨著競爭廠商們試圖爭奪市場地位,可能會見到5G的一些早期預覽標準。

有些人聲稱2017年或2018年前會推出某種形式的5G;我們應該理解,因為5G並不是那麼簡單,顯然它將成為就算不是唯一、也會是史上最複雜的系統之一。5G的完整佈署預期要到2022年之後才會看到,而亞洲可望在實現方面領先美國和歐洲。

5G的基本原理是克服4G的侷限性,為新應用增加新的功能;4G的侷限主要是使用者容量和有限的資料速率。蜂巢式網路已經從語音為中心轉換為資料為中心,但未來需要進一步的性能提升。

另外,人們也期望新的應用。這些應用包括承載超高解析度4K視訊、虛擬實境內容、物聯網和機器對機器通訊(M2M)使用情境,還有連網汽車。許多人仍然預測將有200億至500億台設備連網,其中有很多設備將使用蜂巢式網路;雖然大多數物聯網和M2M裝置以低速率運作,但數量一多就需要更高的網路速率。其他潛在應用包括智慧城市和汽車安全性通訊。

5G可能是更具革命性而非演進性的技術,它將創建覆蓋4G網路的新型網路架構;這種新網路將使用配備光纖或毫米波骨幹網路的分散式小型基地台(圖1),這些小型基地台對成本和功耗非常敏感,且容易擴展。

20160708NT01P1
圖1 運作於6GHz至42GHz範圍的Ceragon FibeAirIP-20C,是5G小型基地台網路使用的典型骨幹網路設備。



此外,5G網路將著重於軟體而非硬體——5G將使用軟體定義網路(SDN)、網路功能虛擬化(NFV)和自組織網路(SON)等技術;以下是值得期待的其他一些關鍵功能:

˙使用毫米波(mmWAVE)頻段;早期的5G也可能使用3.5GHz和5GHz頻段。考慮的頻率範圍從大約14GHz到79GHz。目前還沒有做出最終分配;並正對24GHz、28GHz、37GHz和73GHz進行測試。

˙考慮採用新的調變技術;大多數是OFDM的某個變種。在標準中可能針對不同應用定義兩種或多種新的調變技術。

˙採用某種形式的MIMO技術,以擴展範圍、資料速率和連結可靠性。

˙天線為晶片級相位陣列,並且配備適應性波束成形(adaptive beamforming)和控制技術。

˙更低的延遲是主要目標;小於5ms可能是必需的,但小於1ms是終極目標。

˙在500MHz或1GHz頻寬內預期可達1Gb/s到10Gb/s的資料傳輸速率。

˙將採用GaAs、SiGe和某種CMOS材料製作晶片。

最大的挑戰之一是將5G整合進手機中;目前的智慧型手機已經擠滿各種無線技術,而5G無線電路將比以往任何電路都複雜。有人預測營運商準備好的時間遠遠比手機來得早—但屆時還能將它們稱為手機嗎?

5G最終一定會實現,但與此同時,我們不得不將就用一下LTE——說真的,你真的覺得需要5G嗎?

Wi-Fi的下一步是什麼?

除了蜂巢式技術,Wi-Fi也是我們常用的無線連結技術;與乙太網路一樣,它是我們鍾愛的通訊「設施」;我們希望可隨處連結Wi-Fi,而大多數情況下可以做到。與大多數流行的無線技術一樣,Wi-Fi也一直在發展中,其中,802.11ac可以在5GHz免授權頻段提供高達1.3Gb/s的速率。

目前大多數接取點、家用路由器和智慧型手機已經導入802.11ac;另外一件正在進行的事情,是為超快速60GHz(57~64GHz)802.11ad標準找到視訊和擴充基座(docking stations)之外的應用;這是一種經驗證並且極具成本效益的技術。

不管何時都有多個802.11開發項目在進行中。下面列出了其中最著名的一些:

˙802.11af——這是一種在電視空白頻段(54~695MHz)的Wi-Fi版本;資料在未佔用的本地6MHz(或8MHz)頻寬頻道內傳送。這裡要求使用感知無線電(cognitive radio)方法。資料速率最高可達約26Mb/s。被稱為White-Fi的11af技術主要吸引力在於,這些較低頻率下覆蓋的距離可達數英哩,而且穿透障礙物的非視距(NLOS)傳輸也是可行的。這個版本的Wi-Fi還沒有投入使用,但對物聯網應用極具吸引力。

˙802.11ah——被命名為HaLow,這個標準是另一個使用免授權ISM902-928MHz頻段的Wi-Fi版本;它是一種低功耗、低速率(數百kb/s)的服務,覆蓋範圍可達1公里(km),目標也是物聯網應用。

˙802.11ax——11ax是11ac的升級版,它可以用在2.4GHz和5GHz頻段,但大多數情況下只在5GHz頻段運作,這樣才能使用80MHz或160MHz頻寬;與4×4 MIMO和OFDA/OFDMA一起,峰值傳輸速率有望達到10Gb/s。這個標準可能要到2019年才會批准,不過ax預覽版應該快完成了。

˙802.11ay——這是11ad標準的擴展版,它使用60GHz頻段,目標資料速率至少20Gb/s;另外一個目標是將覆蓋距離擴展到100m,以因應更大規模的應用,例如其他服務的骨幹網路。該標準可望2017年公佈。

物聯網和M2M應用推動的無線技術增生

無線技術肯定是物聯網和M2M應用的未來,雖然有線解決方案不會被淘汰,但上述兩種應用有99%會是無線。若以最廣義的方式來定義物聯網,今日的連網設備數量已經超過地球上的人口數量…

典型的物聯網裝置是一種配備感測器的短距離、低功耗、低資料速率電池供電設備,如圖2a所示;也可能是一些遠端致動器,如圖2b所示。物聯網裝置也可能是前面兩種的組合,這些裝置通常都會透過一個無線閘道器連結至網際網路,但也可以透過智慧型手機上網。與閘道器之間的連結是無線的,問題在於是會採用哪一種無線標準?

20160708NT01P2
圖2a 這是一個典型物聯網裝置電路模型,有許多不同的輸入感測器;常見的劃分是MCU和無線電(發送電路,Tx)在一顆晶片上,感測器及其電路在另一顆晶片上;當然也可能用單晶片解決方案。



20160708NT01P2-1
圖2b 這個電路圖顯示了另外一種配備輸出致動器和接收電路(Rx)的物聯網裝置可能配置。



Wi-Fi是一種顯而易見的選擇,因為它是如此普及;不過對某些應用來說是殺雞焉用牛刀,對某些應用來說功耗則太大了點。藍牙是另個不錯的選擇,特別是低功耗藍牙(BLE)版本;新增加的網狀網路(mesh)和閘道器功能使得藍牙更具吸引力。ZigBee是另一種候選技術,還有Z-Wave,以及幾種802.15.4變體技術,例如6LoWPAN。

這些最新選項是低功耗廣域網路(LPWAN)運動的一部分;這些新的無線技術選項可以提供更長距離的網路連結,這是前述傳統技術通常無法做到的。這些針對物聯網應用的最新競爭技術大部分在1GHz以下免授權頻段運作,包括:

˙LoRa——這種技術是Semtech發明的,並得到了Link Labs的支援,採用低資料速率的線性調頻脈衝技術(FM chirp),覆蓋範圍可達2~15km。

˙Sigfox——由法國開發的技術,使用超窄頻調變架構,以低資料速率發送短訊。

˙Weightless——這種技術使用電視空白頻段和感知無線電技術,可獲得更長的覆蓋距離和高達16Mb/s的資料速率。

˙Nwave——這是一種類似於Sigfox的技術,但目前可知技術細節有限。

˙Ingenu——與其他技術不一樣,該技術採用2.4GHz頻段和一種獨特的隨機相位多路存取機制(random phase multiple access scheme)。

˙HaLow——也就是前面提過的802.11ah Wi-Fi。

˙White-Fi——這是前面提過的802.11af。

對任何一個開發人員來說都有許多選擇,還有更多的選項可考慮。

蜂巢式技術當然是物聯網的選項之一,因為十幾年來它一直是M2M的支柱;M2M主要使用2G和3G無線資料模組監視遠端機器或設備,並追蹤車輛。雖然2G(GSM)最終將被淘汰(明年AT&T就要淘汰2G了,但T-Mobile還要堅持一段時間),但3G仍會存在。

現在又有一種新的選項——LTE。具體來說,應用在物聯網時它被稱為LTE-M,是使用1.4MHz頻寬的LTE精簡版。另外一個版本是NB-LTE-M,它使用200kHz頻寬,適合更低速的應用;還有一種版本叫NB-IoT,它將資源區塊(多個15kHz LTE子載波組成的180kHz區塊)分配給低速資料。所有這些變體版本透過軟體升級,都能使用現有的LTE網路;LTE-M模組和晶片已經存在,例如Sequans Communications的產品(圖3)。

20160708NT01P3
圖3 這種Sequans Communications的Monarch模組可在1.4MHz和200kHz頻寬內實現LTE-M,適合物聯網和M2M應用。



對物聯網未來的最大擔憂是缺乏單一標準;但是這也許不會發生,市場的分散發展會越演越烈,特別是在市場接受的初期階段。也許最終只有少數幾個標準崛起,但不要寄望於此;實際上標準化甚至是不必要的。

無線技術的成功三要素

頻譜——與不動產一樣,頻譜只有那麼多。所有「優良」頻譜(大約50MHz至6GHz)已經都分配出去了;這對於永遠沒有足夠的頻譜提供更大的使用者容量、或更高資料速率的蜂巢式網路營運商來說尤其重要。美國聯邦通訊委員會(FCC)可能很快會拍賣一些可用的電視廣播頻段,這倒是有點用處。與此同時,還需要尋求更多的頻譜共用點子,例如空白頻段,以及與Wi-Fi一起使用的LTE-U。

控制電磁干擾(EMI)——隨著越來越多的無線設備和系統得到佈署,所有類型的電磁干擾只會越來越糟糕;干擾意味著更多通話中斷以及服務被拒。一些法規現在控制的是設備級的電磁干擾,但不限制使用中的設備數量;目前沒有可靠的解決方案,不過相信很快會有需要。

安全性——安全性意味著需要保護資料和隱私;現在有很多加密和身份認證措施,相信會有越來越多的應用會使用。