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Beyond Wi-Fi 四大技術動向剖析
WiHD、WHDI、WiGig、5G Wi-F

【作者: 陸向陽】   2013年04月22日 星期一

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無線技術標準的發展,可謂是幾家歡樂幾家愁,以下略舉數例來說明。


2002年美國FCC核准超寬頻(Ultra-Wideband;UWB)商用,多數業者投入發展,包含半導體大廠Intel,但經數年發展後,2005年底Intel放棄超寬頻技術,隨後2006年IEEE 802.15.3a超寬頻標準的訂立工作小組解散,更之後UWB相關業者歇業(如Tzero)、UWB相關標準(如WirelessUSB)少再提及,超寬頻幾被判死刑。


又如WiMAX,WiMAX的基礎標準IEEE 802.16約自2001年起步,至2004年改以OFDM調變技術後,推翻2001~2004年間訂立的成果,重新發展,但發展至今,仍難達理想的市場規模,WiMAX晶片業者與服務電信商,均開始有朝TD-LTE領域轉型的趨向,當為備案。


UWB與WiMAX雖發展不順,但也有發展漸趨完備成熟的,如2004年提出的NFC及ZigBee,雖初期推展不易,然隨標準漸完備、市場漸成熟,其後續推動已毋須擔憂。


Bluetooth在初期也推展不順,而今不僅站穩腳步,甚至開始嘗試跨入新領域、新應用,如Bluetooth HS或BLE(Bluetooth Low Energy)等。其他仍在自身領域中持續推進的,則有如Z-Wave,RIFD、Rubee、TransferJet等。


無論技術及其生態是成是敗,仍持續有諸多業者提出新技術、新標準,期望開拓新領域、新應用,以下將針對四種超高速的無線區域網路技術進行觀察、探討。


Wireless HD/IEE 802.15.3c

WirelessHD技術(簡稱WiHD)於2008年1月提出,主要由日、韓消費性電子業者所發起,初期僅SiBEAM一家研發、供應WiHD晶片(另一說為NEC、Toshiba亦有生產,然技術仍以SiBEAM為主),而後2008年8月IFA展時Broadcom加入,更之後Intel也加入,Intel在加入WiHD前即已捨棄UWB,有明顯從UWB轉向WiHD的意圖。


WiHD使用60GHz頻段,60GHz頻段與2.4GHz頻段相同,均為全球免費授權使用的頻段,而WiHD的通訊通道頻段耗佔為7GHz。WiHD 1.0版宣稱可達4Gbps傳輸率,而其技術原理的理論極限速率可至25Gbps。


WiHD在1.0版標準推出後,一直沒有新版發展,2009年其相似技術的另一聯盟WiGig(Wireless Gigabit Alliance)成立後,WiHD才於2010年5月提出新版,即WiHD 1.1,1.1版具以下特點:


1. 以較低功耗實現影音串流傳輸與檔案傳輸,過往僅標榜無線傳輸視訊,較少提及檔案傳輸及低功耗性。


2. 提升理論極限速率,自25Gbps增至28Gbps。


3. 對智慧型手機、平板等行動裝置也能提供達1Gbps傳輸率。


4. 支援3D視訊輸出。


5. 支援4k x 2k解析度視訊的輸出。


6. 支援HDCP 2.0視訊防拷加密機制,原1.0版即已支援DTCP機制。


值得一提的是,WiHD的主要晶片商SiBEAM於2011年4月由Silicon Image以2,550萬美元購併,SiBEAM原投資者主要為Panasonic、Samsung。購併後,Silicon Image為降低晶片客戶的顧慮,於2011年6月推出第3代的WiHD晶片,在此之前約從2009年初開始量產初代WiHD晶片。


WHDI

與WiHD相同的,WHDI是以日、韓消費性電子業者為主體,於2009年12月發表WHDI(Wireless Home Digital Interface)技術,WHDI也標榜高傳輸率,宣稱在5GHz頻段中,以40MHz通道頻寬進行傳輸,可達3Gbps,若為20MHz通道頻寬則為1.5Gbps。


WHDI發表之初讓多數人懷疑日、韓消費性業者將捨棄WiHD,然事實相反,WHDI可謂是與WiHD互補的技術。


從技術角度檢視,WiHD與WHDI採行全然相反的技術,WiHD使用60GHz頻段,WHDI則為Wi-Fi常用的5GHz頻段,WiHD使用7GHz頻寬成就高傳輸率,WHDI則用Wi-Fi常用的20MHz或40MHz頻寬。若以傳輸率的未來潛在提升空間而言,WiHD明顯較具優勢。


但是,WiHD的技術亦有限制,因使用60GHz高頻段,不易長距離傳輸(僅10m距離),也無法穿牆傳輸,同時傳輸路徑最好毫無阻礙,或僅有部份(非大面積的完全遮攔)遮阻,或短暫(人的走動)遮阻,因此只適合單一房間內的應用,一般為客廳,在客廳內讓藍光播放機、電視遊樂器、高清晰數位電視等相互進行傳輸。


相對的,WHDI可達30m以上傳輸距離,可穿牆傳輸,雖然極限速率不如WiHD,但卻可與WiHD搭配運用,或分別經營不同的應用情境市場,即WiHD主打Single-Room視訊應用,WHDI主打Multi-Room視訊應用。


WHDI在1.0版標準推出後,原於2010年中釋出消息,將訂立出2.0版,新版支援方向與時下多數無線視訊傳輸應用相同,即支援3D視訊(Stereoscopic 3D)、1080p雙顯示、4k x 2k解析度、HDMI 1.4a規格等,不過至今未見2.0版正式發佈。


WiGig/IEEE 802.11ad

2009年5月WiGig成立,而後在2009年12月提出WiGig 1.0版標準,但標準的正式公開發佈為2010年5月。WiGig使用的頻段、技術與WiHD相似,均為60GHz,但根基的標準不同,WiHD為IEEE 802.15.3c,WiGig則為IEEE 802.11ad。


由於WiGig與WiHD技術較勁意味濃厚,WiGig於2010年5月發佈WiGig 1.0版後,WiHD陣營即在同月份發佈WiHD 1.1版,而後WiGig又於2011年6月發佈WiGig 1.1版,WiHD陣營則以第3代WiHD晶片回敬。


在技術能耐方面,WiGig宣稱有7Gbps傳輸率,是IEEE 802.11n標準的10倍以上速率,但WiGig在MAC層上是以IEEE 802.11標準進行擴展延伸,以便能與IEEE 802.11標準相容,PHY(實體)層方面既支援低功耗裝置也支援高效能裝置,另在支援視訊傳輸外,也強調PC週邊裝置應用。


由此可知,WiHD 1.1版的出爐,諸多強調也是為了與WiGig更相近,以便競爭,但同時也透露,WiHD初期較耗電、較不能支援電池類行動裝置,也較偏重視訊傳輸應用。


為了確實支援視訊與週邊兩類應用,2010年11月WiGig再訂立出WiGig 1.0版A/V與I/O協定的轉接層(Protocol Adaptation Layer;PAL)標準,以PAL為基礎,往上增訂WDE(WiGig Display Extension)、WBE(WiGig Bus Extension)、WSE(WiGig Serial Extension)等標準,以支援不同的傳輸應用。


WiGig雖已有1.1版標準,但其根基的IEEE 802.11ad標準則尚未定案,預計2012年年底可定案。


圖一 : WiHD可透過直射、反射信號進行收發傳輸,但不可以連反射傳送路徑都遮組,例如整面牆。
圖一 : WiHD可透過直射、反射信號進行收發傳輸,但不可以連反射傳送路徑都遮組,例如整面牆。

Wi-Fi/IEEE 802.11ac

WiGig的出現,等於是60GHz頻段的技術解決方案鬧雙胞,形成WiHD vs. WiGig的局面,不過雙胞局面不僅僅是WiHD vs. WiGig,WHDI也遭遇競爭性標準,即Wi-Fi的後續增訂版本IEEE 802.11ac。


IEEE 802.11ac與WHDI一樣以5GHz為主,但期望用更多組天線(4組8組)、更大的通道頻寬(20/40MHz80/160MHz)、更複雜的調變(64QAM256QAM),達到高速傳輸的目標,如最多8組天線、最大達160MHz的通道頻寬,極速可至6.93Gbps。


由於是以相容現有Wi-Fi標準為前提的發展,所以IEEE 802.11ac標準也被稱為5G Wi-Fi,即第5代的Wi-Fi,嚴格而論是以速率標準來判別世代,第1代為1997年的原初Wi-FI,第2代為1999年的IEEE 802.11a/11b,第3代為2003年的IEEE 802.11g,第4代為2009年的IEEE 802.11n。Wi-Fi 11ac與WiGig 11ad相同,在IEEE標準中仍處於技術提案階段、草版階段,也預計在2012年底完成正式版本,不過之後確定遞延至2013年底。



圖二 : WI-Fi速率世代
圖二 : WI-Fi速率世代

雖然正式標準都要到2012年底才能完成,但許多業者早已開始推行11ac、11ad的方案產品,此情景與2007年相同,2007年11n標準仍處於技術提案後的草版(Draft)階段,但正式版本仍必須後延,業者等不及正式版本出爐,先行推出遵循草版標準的產品,之後再透過韌體、軟體更新方式,將已售出的Draft n產品,升級成正式11n標準。


因此自2012年6月起,11ac、11ad方案即開始被推展,但以11ac的進度與接受度較高,多數業者與消費者仍以提升Wi-Fi傳輸率為首要賣點,家庭劇院級的無線視訊傳輸情境,則為次要訴求。


圖三 : IEEE802.11ac速率表
圖三 : IEEE802.11ac速率表

資訊、消費性陣營的角力

了解上述四類型的高速無線通訊後,多數人已可隱約體會,應用市場僅有2塊,即Single-Room與Multi-Room,但卻有4種技術標準,為何會出現每種應用需求有2種標準競逐呢?


答案在於業者背景所形成的陣營,WiHD、WHDI是以日、韓消費性電子業者為主所形成的標準聯盟,但WiGig與5G Wi-Fi則是以資訊業者為主的團體,對相同取向的技術,有不同的應用看法。



圖四 : WHDI強調多房間的即時視訊傳遞,可穿牆傳輸,樓上樓下間傳輸。(圖片來源: WHDI機構官網)
圖四 : WHDI強調多房間的即時視訊傳遞,可穿牆傳輸,樓上樓下間傳輸。(圖片來源: WHDI機構官網)

對消費性電子陣營而言,WiHD只要達成高清晰畫質的視訊內容,能以無線方式流暢播放即可,除此之外無其他應用需求,WHDI也同樣被定位在單純的視訊應用。


但資訊領域的業者有不同的看法,Intel最初看好UWB,期望發展成PC的外部高速無線介面,可用於視訊、儲存等週邊連線需求,但UWB標準破局,Intel也放棄UWB發展,轉而關注與UWB同屬10m距離內的高速傳輸技術,即WiHD,並在參考、學仿該技術後,改提出能兼顧資訊產業應用的WiGig。


相同的,以能穿牆傳輸的無線視訊傳輸技術WHDI,其原有技術即與Wi-Fi相近,因此用既有Wi-Fi標準擴展延伸,成為5G Wi-Fi,既能支援跨房間播放的應用需求,也能支援傳統Wi-Fi應用,如無線列印、無線傳檔、上網、下載等。


除了系統業者間的需求差異外,消費性與資訊陣營在晶片商方面的政策也有部份差異,WiHD、WHDI均以新創業者、小型業者為主,如WiHD以SiBEAM為主,WHDI以AMIMON為主。


相對的,WiGig以傳統晶片大廠為主,如Broadcom、Marvell、Qualcomm Atheros等為主,但也加入台灣聯發科技(MediaTek)與小型新創業者Wilocity。5G Wi-Fi更是完全以傳統晶片大廠為主,即Broadcom。也因如此總會讓人懷疑,Broadcom、Intel最初加入WiHD陣營的動機,是共同推展WiHD標準或參考學習WiHD技術?至於WHDI本與Wi-Fi技術相近,因此不需加入陣營也可熟悉技術。


圖六 : WiGig採行相容延伸既有的IEEE802.11標準(來源: WiGig機構官網)
圖六 : WiGig採行相容延伸既有的IEEE802.11標準(來源: WiGig機構官網)

資訊 vs. 消費性電子陣營的長期角力

雖然資訊陣營與消費性電子陣營對技術應用有不同看法,進而提出相仿但又相競爭的技術,但事實上兩陣營的標準角力並非僅有無線通訊技術,在實體線路所用的視訊介面上更早出現角力。


如1999年Silicon Image於資訊領域提出DVI介面,而後於2002年消費性領域提出HDMI介面,然DVI無後續改善提升,迫使VESA組織於2006年提出DisplayPort以取代DVI,並對HDMI產生些許威脅,迫使Silicon Image針對資訊領域提出UDI,但晶片大廠Intel、Samsung反對UDI,形成今日HDMI vs. DisplayPort,消費性電子與資訊領域,對數位視訊介面有不同的主張。


因此,陣營的對壘是持續發生於各層面,且勝負不一定在於技術本質的優劣,如DisplayPort採行較HDMI優異的傳輸技術,即微封包(Micro-Packet)技術優於TMDS技術,但事實是HDMI的市佔率、晶片埠出貨量、連接器及纜線等出貨量,均高於DisplayPort(部份原因也在於HDMI較早推行)。


同理,資訊陣營提出的WiGig、5G Wi-Fi看似能兼顧消費性領域與資訊領域的應用,技術本質上較具優勢,但並非如此即可保證,該技術能在產業快速拓展,在市場快速被終端用戶所接受。(陸向陽)


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