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決戰客廳:無線網路天蠶變

本文作者： 陳乃塘點擊： 2012-02-24 11:25

前言：

『Internet Of Everything !』─ 乃雲端的至高哲學。量可以質變，當無線網路晶片價格滑落到原始的1/50時，應用射程不再是筆電、平板與手機；脫離寬頻也涵蓋電視、傳統家電甚至智慧電網；一場”分化‧多樣化”的天蠶之變已經擺在眼前。極高速化、遠程化，逐漸讓無線網路邁向無線I/O化；而無線網路模組的廠商嗅出商機而備戰，一場無線網路龍捲風正要吹起。決戰客廳最終篇，終於來到。CES 2012說明了這個事實。

先來說一個故事，它也不過十餘年的往事。日本在無線電路上的技術，曾經領先世界；可是在無線網路這塊餅上，似乎喪失了存在感。日本贏的模式消失了。為什麼？給大家一點思考的餘地。

CES 2012，接近Gbps大關的無線網路登場! 電視無線網路的「Wi-Fi Display」展示也出現在眾人眼前。

90年代初期，後SCSI時代的呼聲喚起。90年代末期，後 PC時代的視野，也噴出了花火。在這個不連續的時代，隨時要有接招的準備。認命吧，科技人!

『無線網路的後寬頻時代』，這個宣言您曾經聽過嗎？若是沒有，還是請您把這篇文章給看一看吧。

圖說: iPhone 4S的無線網路+藍牙模組。村田製作所。

圖說: Macbook Air的無線網路+藍牙模組。

歷史走過的痕跡

量的思維，始終在電子資訊業輪迴不已。

話說90年代中期，無線網路在個人電腦上開始出現，然而，無論是網路還是I/O的速度與頻寬，相當受限；而當時無線網路的技術也不是很成熟，結局就跟紅外線資料通信一樣，一陣風吹過，卻留不下任何足跡。

到了新紀元初，因緣聚合，採用展頻(Spread Spectrum)的無線網路復出江湖，在這個時間點來的正是時候，只是價格快接近美金百元的價位，因此，內建的筆電先在高價格產品線上攻戰。爾後、微軟的作業系統、英特爾的晶片方案，軟硬體合攻之下，複雜的網路設定逐漸明朗簡易化，蘋果也是對無線網路與藍芽情有獨鍾；爾後，在智慧型手機與平板還有電玩遊戲機的大力支援之下，參與的硬體晶片解決方案廠商大力介入，自然地，晶片方案的價格滑落速度非常地迅速，而出貨量的數字當然就是幾何圖形的軌跡。給些數據：

. 2011年的WiFi出貨量，超越 10億個。

. 而無線網路晶片(802.11b)的量產價格低於一美金，已經低於原始價格的1/50。

. 基礎建設好的上網熱點或都市，使用無線網路的行為模式已經確立。這就是為何蘋果的賈伯斯敢在產品上拿掉USB，也拿掉SD；一切仰賴無線網路。

毋庸置疑，這一波量的快速攀爬肯定與智慧型手機有相當大的關聯。當價格滑落到一定的門檻之時，對於電視、音頻視訊、傳統家電(如冷氣冰箱)等廠商來說，利益帶來應用的誘因就出現了。該如何與智慧型手機發展出緊密關係的應用呢？其中，最為焦慮與期盼的廠商，該是電視機廠商。

智慧型手機、平板裝置甚至筆電中的動畫影片或是圖片，要怎麼送到大畫面的數位電視呢？這一點該不用花腦筋了，賈柏斯早已告訴您了，就是『無線網路』。

日商夏普於2011夏季發表的AQUOS L系列，就具備了[數位內容共有‧視聽]的機能。

圖說: Sharp的L系列電視與手機結合。

若是仔細來觀察當前電視的無線通信機能，基本上的做法或主力應用該是以非壓縮HD動畫，從藍光機來傳送，也就是著眼點是機器內部中大容量的內容為主。然而，今日電視的製造商所期盼的是能夠像筆電、平板裝置或手機那麼容易地接上互連網(網際網路)；即使，當前的電視多少會內建有線的乙太網路端子，但是要與智慧型手機互通時，顯得相當的不方便。

我們可以肯定地說，當今電視的訴求必然想要YouTube之類的資料串流能夠對應。

而像冷氣機這類的傳統家電來說，當然不會放過智慧型手機帶來的禮物，也意圖採用無線網路；所持的理由也很簡單，就是智慧型手機的畫面夠大解析度又好，控制軟體就不用說了，就節電面向來說，比如說，電力使用量可以讓使用者透過手機輕易看見，了解運轉狀況。

或許您聽過這個笑話，有一些冰箱還具有大畫面的液晶顯示；其實，這一種有點啼笑皆非的使用法，都可以因為智慧型手機的出現，而獲得了好方案。

應用多樣分化的契機

即使當前，無線網路的最大進化目標依然還是朝向資料傳輸的高速度化。多少是要企圖追上有線式乙太網路。所採用的工夫還不是擴大通道的頻寬、使用更高次的調變方式。

當無線網路開始朝向新市場來開拓時，所要求的條件會起變化。有人要求速度即使慢一點也沒關係、有人會說長距離傳送才是我的要求、也有人說特別在意低消耗電力的傳送接收IC、而有些人卻是在意無線網路的連結更快一點更順一點；種種不同的需求開始蛻變。隨著市場領域的寬廣化，不僅讓無線網路替代乙太網路的角色，而且還依據各種產品的用途來量身打造，一舉改變了無線網路的既有風貌。

n 超高速無線網路標準興起:802.11ac

對於無線網路裝置或是上游傳送接收IC的廠商來說，立場就很有趣了。實際上，就是東風自動來報到。畢竟拿無線網路的研究開發還是下一世代規格標準化的現象來看，高速化限界的呼聲也越來越高。就拿當前的最新規格IEEE 802.11n來說，實效上的資料吞吐量約是在100Mbps的程度。下一世代規格標準化團體IEEE 802.11正著手於802.11ac(TGac的工作小組正在策劃之中)。11ac預定有機會要超越1Gbps的高速度傳送。若是要實現這個高目標，資料的一次調變方式採用256值的QAM之外，通道的頻寬與要擴大2~4倍(也就是80MHz或160MHz)。就技術的面向來評斷，實現的困難度蠻高的。目前來看，難易度高的技術多數列在選項的位置，11ac必須規格使用的場合，約是292Mbps。好!就算假設這些高難度的技術在產品中實現，能夠從這個高速性來享得利益者，不是存取點(access point)就是近距離的產品；也就是說很有可能限定在傳送線路環境良好的裝置上。

業界對於11ac的看法，好聽的說法是「寬頻化的終極」；那之後的下一個方向呢？於是業界之間的研究開發者真正訴求的重心，心照不宣就是期待無線網路的「典範轉移」之變，也就是以上所言的應用方向性開始分化；於是乎，我們遇見了長距離傳送的規範、連結時間大幅縮短、使用更順手的規範等。

無線網路越界侵犯其它技術

n 對上屋內技術:ZigBee、Z-Wave

如此一來，無線網路對於其他通信規格的影響可能也會隨之而來。就拿能源有效運用的智慧電網領域來說，原來大家的期待是活用ZigBee、Z-Wave等低消耗電力特徵適用於感應器網路的無線。若是無線網路大軍攻入，高機能型的Smart Meter、或是具備無線通線功能的電源插座Smart Tap，也可能有機會實現。無論是IEEE 802.11還是Wi-Fi Alliance多興致勃勃，作業進行中。譬如說，ZigBee Alliance針對智慧電網用途所策定的家庭內控制中介軟體與指南「ZigBee Smart Energy Profile(SEP)」，Wi-Fi Alliance就讓它可以在無線網路上來實行。

n 對上屋外網路技術: TV White Space

無線網路的領空侵犯行動，不僅限於屋內，還野心勃勃地想要攻佔屋外網路。活用了低頻率地帶，進行較長距離的傳送。這箇中的關鍵乃是在於所謂「TV White Space」。

所謂地「TV White Space(電視空白頻譜)」，說白了就是電視放送頻帶空出來的地方。概念就在於無須使用執照的無線服務。美國的FCC在2010年，提出限於數10MHz~700MHz頻帶地上數位電視優先服務沒有利用到的頻道；於是乎，無線網路可供利用的法律備足，消費性產品廠商的眼睛就發亮了。

依據美國所認可的TV White Space的頻率，比起現在所用的2.4GHz或是5GHz頻帶，頻率較低，相同的傳送功率輸出下，傳送距離約可以擴增為三倍左右。換句話說，服務區域的直線距離約是延伸三倍，面積擴增了9倍。如果善加活用公用無線網路，就更接近手機網，移動時的終端服務就更容易實現。意思就是說，擴張無線網路就會與手機移動通信相重疊，當手機頻寬不敷使用的今日，何嘗不是一種互補的方案呢？來看看當今手機服務業者，為了鬆緩手機網的超載，必須實施所謂地『Traffic Offload』，方法是積極活用無線網路，也就是移動通信手機網結合無線網路的服務型態，進一層加深了無線網路的依賴度。

對於半導體業者，可以說是大機會也是危機意識襲來的困境，畢竟，手機的成長要像過去這般勇猛可能難見，能穩定性成長算是不錯了。像台灣中國這種價格江湖大殺手的廠商再陸續殺進來，大廠對於低價空間的獲利很難維持，根本沒有腳步停止的機會。每個廠商必須找到自己立足的地盤，好比說，在這塊大餅沒有吃相的日商就必須找出活路，以Panasonic為例，就在60GHz頻帶的毫米波積極研發，在特定的用途上，先做楚霸王再說。

n 無線網路模組廠商價值提升

當然對於無線網路模組的廠商，感受自然大不同。畢竟，在傳統家電等領域，對於無線通信的細節毫不清楚，因此這些顧客必須在軟硬體上大量依賴模組製造商，所以可以這麼說：無線網路模組廠商的附加價值，機會已經殺到。能夠滿足顧客需求與服務殷切的模組提供商，自然會有甜美的果實可以嚐到。但是，背後的技術支援與方案肯定必須讓客戶滿意才行。

分化的漫漫長路

即使您將它定位為下一個世代的規範，也並不算離題太遠。只是在方向性方面，要如何來歸納出有條理的分類，最為簡易的方法或許就是將它分為三個方向或是種類，拿捏的邏輯比較能夠抓的住 (因為總共有五個下世代的規範) ：

u. 如同傳統的理念，更進一步追求”高速性”的規格。

v. 活用比傳統2.4GHz、5GHz頻帶更低頻率的空間來實現”長距離傳送”的規格。

w. 連結確立時間短縮、使用更容易順手的規範。(高速認證)

若是就第一點來說，檯面上的主要規範有二種。之一，就是使用既有的5GHz頻帶，將實際的資料吞吐量拉高十倍，期望超過Gbps的關卡。這個也就是IEEE 802.11ac，在CES 2012日商巴比祿(Buffalo)就展示了800Mbps的產品。之二的方案，就是利用了60GHz毫米波波段，期望在近距離下能有5~6GBps的高速度，這一個項目列為IEEE 802.11ad。廠商的展示也已經進行多年。

不論是哪一個方案，皆嘗試努力越過Gbps的門檻，若是能夠順利在上下游有所斬獲，無線取代有線的應用情景，會有相當大的突破；尤其是智慧型手機與平板日益抬頭的今日，速度快能做很多事情；就像錢多好辦事。

在第二點方面，竟然也是出現了兩種提案。之一，活用TV White Space針對攜帶式裝置用途的500M~700MHz，企圖將傳送距離拉升到三倍；這個就是IEEE 802.11af。還有一個就是善用900MHz的IEEE 802.11 ah。

而第三點的重心在於將無線網路安全認證的時間縮短到原本的1/10~1/15之程度。這就是IEEE 802.11 ai。

從以上可知共有五個新的規範在檢討議論之中，雖然都是未來完成式；但是科技業瞬間萬變，當它浪潮來時再想去抓也抓不住。美國的CES展往往是風向球，多花一點時間多觀察動向，才是在這個產業殘活的重要法寶。還好，無論是上游還是模組製造商，幾乎都是寡占的局面，動向容易拿捏。

IEEE802.11五種最新規範解析

底下，試圖就這五種規範，做一個扼要的整理與分析。

l IEEE 802.11ac

無線網路當前的最新規範，該是802.11n，那麼，802.11ac可以說是它的後繼規格。其工作小組早在2008/11就設立了，現在就出現草案規範了；而市面上的領先廠商早在2011年就推出晶片方案了，這就是為何在CES 2012上可以見到產品的原因。

n 技術特色

802.11ac的傳送技術，依然沿襲著802.11n的手段，利用OFDM直交頻率分割多重的手法來傳送資料。為了進一步將資料速度大幅拉升，就必須做一些突破或是有所變更。

第一，就是擴充傳送時天線的多重數。就802.11n來說，在傳送端與接收端具備了複數個天線元件，在同一個頻率通道內提升倍數的技術，這個就是知名的MIMO(multiple input multiple output)技術。802.11n的MIMO最高天線數量為4。802.11ac將天線多重的數量拉高到8，理論上有兩倍的傳送速度提升。

第二，一次調變方式(OFDM的次載波調變方式)的多值度向上提高。802.11n是導入了64值QAM；而802.11ac將它變更為256值QAM，不過，這是列為選項(option)。總之，這個手法可以提高約1.3倍的傳送速度。

第三，將使用頻率通道的頻寬進一步拉寬2~4倍。802.11n所用的通道頻寬最高約為40MHz，而802.11ac將它拉高為80MHz或是160MHz(選項)。

第四，導入了一個全新的技術，「多使用者MIMO」。這個又是什麼技術呢？大致上是說，在無線網路的存取點AP等基地台側利用天線進行傳送波束形成(Beam Forming)的控制；如此一來，在相同的頻率通道，對端末傳送不同種類的資料，可以同時接續的意思。好比說，在家庭內同一頻率通道有多數個裝置來傳送不同的資料。

直到802.11n為止，同時僅有一台端末利用MIMO來傳輸，也就是單一使用者的MIMO。802.11ac發展多使用者MIMO，讓多數個裝置與基地台通信，來提升系統的資料吞吐量。依據NTT的實驗指出，當利用80MHz的頻寬，最多6台裝置同時接續時的場合，整體系統的傳送速率約是1.62Gbps的水準。由於複雜的技術在基地台端，端末裝置可以說是坐享其成的味道。不過，「多使用者MIMO」也是歸為選項。畢竟，控制空間分割的基頻處理技術，相當地複雜；對於路由器的小型化相當不利，很難做到。

若是來觀察Qualcomm Atheros對應於802.11ac第一代產品的目標是：80MHz頻寬，3空間多重MIMO，256值QAM；預定的資料吞吐量約在800Mbps的程度。這一點，巴比祿在CES 2012上的實際展示做了確認。

l IEEE 802.11ad

而進行高速化的另一種手段就是善用了60GHz的毫米波。這個頻帶也是世界通用，頻寬可以確保在5~7GHz。在這個充裕的頻帶，設定每通道2.16GHz的寬廣頻帶時，最高資料傳送速度可達6.6Gbps。

802.11ad的展示也有一段時日，雖然規範尚未正式化，半導體廠商漸入佳境；為了推廣毫米波的業界團體WiGig(Wireless Gigabit Alliance)活動還算積極，會員不少是重量級的廠商。

日商Panasonic在802.11ad上著墨甚多，無論是晶片組還是產品，算是走到商品化的層次。以毫米波來進行極高速傳送，對於「電力消耗」的低減是不可或缺地要素；Panasonic為了解決這個問題也下了幾番功夫。首先，先行導入單一傳送波的模式來動作；晶片組中的RF收發器以極低相位雜訊的電壓控制振盪電路，功率放大器做優化處理；即使基頻的LDPC(low density parity check)錯誤修正符號的解碼電路規模也導入新的架構，才有今日的實際成績。

有人說，802.11ad也許會比802.11ac還要先一歩登場，有機會哩 !

l 802.11 af/ah

活用電視White Space的802.11af以及善用900MHz頻帶的802.11ah，都是使用較低的頻率的概念。

其中的802.11af是假定以FCC所規定的500~700MHz為基準；當數位地上波以及無線麥克風的優先服務不存在的場合，得以免執照來使用。因此，要利用電視White Space的裝置必須有把握將空出來的頻率通道存放在資料庫來存取。至於存取的手法就是在檢討之中。

微軟似乎很鍾情這塊商機，美國電視White Space的商機擴大隨著FCC的明朗化，微軟也隨著試作出「WhiteFi」的軟體堆疊。不過，802.11af似乎還存在著疑慮，美國表態也有嚴厲的限制；可是其他的地區與國家呢？世界還沒有共通的地方是其一，還有一個問題，頻率過低的話，也就意味著天線要做大；針對攜帶式裝置將天線作小的話，可能得犧牲效率。這是魚與熊掌的問題。

相對於此，802.11ah所覬覦的900MHz頻帶已經經過世界的磨合，也是以傳輸距離的延伸為目標。目前的規格還在討論進行式。比如說，就有廠商提議應用於智慧電網(Smart Grid)的領域中，提案的應用範例不少是感應器網路(sensor network)的運用。

l 802.11 ai

802.11ai的目標宗旨就是大幅減少無線網路安全性初期認證所需的時間。工作小組在2011/1設立。一般來說，無線網路的初期認證在終端側與 AP之間至少有14回的資料封包處理，之後還有DHCP的封包交換。在理想的狀態下，光是認證要花掉48ms的時間，若是再加上DHCP的處理，數百ms以上的時間是跑不掉。802.11ai的期待是將這個時間縮短到原來的1/10~1/15。舉了例子來說，當攜帶智慧手機的用戶從車站或是捷運下車時，此時有數百或數千使用者瞬間存取、使用更新電子郵件或是Twitter資訊的應用程式。因此，如何來簡化安全性認證的手續。依照目前的進度顯示，連結確立的時間可以壓在100ms以下，也就是說一秒鐘可以完成100台的終端接續。

底下這個表格，試圖將802.11n與802.11ac暨802.11ad作一個表單式的比較。

名稱	802.11n	802.11ac	802.11ad
利用頻帶	2.4GHz, 5.15Ghz~5.9GHz	5.15Ghz~5.9GHz	57~66GHz
頻率通道幅	20MHz,40MHz	20MHz,40MHz 80MHz 160Mhz(選項)	2Ghz
最高資料傳送速度	600Mbps	6.9Gbps	6.7Gbps
傳送方式	OFDM	OFDM	單一傳送波以及OFDM
多值數最大負載波的調變方式	64值QAM	64值QAM(必須) 256值QAM(選項 )	64值QAM
錯誤修正方式	Leed-Soloman, LDPC(選項)	Leed-Soloman, LDPC	Leed-Soloman, LDPC
MIMO最大空間的多重數	4	8	沒有
傳送波束形成(Beam Forming)	採用 (假設單用戶)	採用 (假設多用戶)	採用
推廣的業界組織	現在沒有	沒有	WiGig Alliance
認證組織	Wi-Fi Alliance	Wi-Fi Alliance	Wi-Fi Alliance
用途	家庭/辦公室無線網路。 HD動畫傳送	家庭/辦公室無線網路。 HD動畫傳送	DisplayPort,HDMI 或是PCI Express的無線版本

模組廠商附加價值的所在

圖說: 802.11n 模組範例。

大者恆大，無線網路模組似乎也應驗了這個殘忍事實。光是Apple公司智慧型手機的無線網路模組，村田佔有率可能有7成到8 成；而三星的首要供應商也是村田，其次是SEMCO。在既有的市場，當然手機掛帥，它的要求就是吋法必須夠小，耗電低，有時候Mac與基頻要給手機的應用處理器來執行，因此，有些場合會僅使用到RF電路的模組。然而，在新興市場方面，也許要拆解成兩條產品線，思路會比較清楚。之一是電視等AV視聽產品線，另一則是傳統家電，好比冷氣冰箱等。前者對於資料吞吐量的要求少則100Mbps以上，連接的方式要很簡易。而後者對於速度問題較不敏感，卻在乎較長的傳送距離，由於搭載有控制用途的微電腦，不僅是Mac/基頻的處理，比較貼近於自己完整型的模組方案。偏偏，手機開發業者對於無線電路的高頻技術擁有足夠的Know How，而傳統家電廠商卻是十分貧乏。也就是說，這些廠商必須大量依賴可靠的模組商。

且拿幾個實際的例子來驗證無線網路模組廠商，所扮演的角色有多舉足輕重。

. 打遍天下難有敵手的Apple，其iPhone的模組供應商，光是Murata(村田製作所)就佔掉了7成到8成的高比率。

. 號稱全台產業的共同敵手三星，其無線網路模組的最大供應商依然是村田，其次是SEMCO。

. 即使氣勢大幅滑落的Nokia，它的無線網路模組供應商也是來自於村田與TDK。

. 東芝的Intel平台筆電，太陽誘電注力甚多。

由此不難體會連本行都是電子資訊的行家也是必須仰賴著無線網路模組廠商，至於有點狀況外的傳統家電甚至工業產業，更需要依賴無線網路模組廠商，而全天下出名的無線網路模組廠商也僅有那麼幾家，每一家打出的策略也不盡相同，不過，可以確定的是都是從其強處功夫來延伸。

圖說:無線網路模組的構成概要。筆者製圖。

以模組的構成元素為基礎，來觀看廠商的戰略。村田在既有的優勢下是採全方位的戰略，容易連接為訴求。而Rohm本身有開發IC的實力，企圖利用軟體為一決勝負的工具。太陽誘電企圖以美金5元的目標來進攻電視 AV領域。TDK在11ac上掌握了濾波器的優勢，因此，還是先攻智慧型手機。

弦內暨弦外之音：Wi-Fi Display

決戰客廳之役，依然處於現在進行式。先打大畫面解析度與倍頻、再打LED背光與3D、再來可能主打電視的無線網路方案。而這一個戰役卻又要扯出一個新東西『Wi-Fi Display』，其實，這是WFA(Wi-Fi Alliance)所策劃的Middleware規範；更具體地說，它是以無須存取點無線網路裝置也可連接的規範”Wi-Fi Direct”為基礎，準備上層協定‧堆疊‧軟體的實際安裝指引。與英特爾為了筆電與電視以無線網路來接續而策定與提倡的WiDi相當接近。那麼，誰才會是電視無線網路化的泛標準，現在還有點言之過早。

圖說: Wi-Fi Direct的架構示意圖範例。

『Wi-Fi Display』的工作原理，說起來並不複雜；千言萬語也比不上簡單的圖解來的一清二楚。

圖說: Wi-Fi Display的動作原理。

看完了Wi-Fi Display的工作原理，就不難得知Wi-Fi Display必須規劃哪些內容才能滿足上圖的實現願景。這時候，只要再進一步思考其功能的方塊圖，這個答案就浮現出來了。而且應用情景也相對清晰，從藍光機器到電視、電玩機到電視、STB到電視、數位相機/攝影機到電視、筆電/PC到電視、手機到電視等，必然都在WFA的預想範圍之內。

圖說: Wi-Fi Display工作小組必須規定的部分。筆者製圖。

Wi-Fi Display工作小組必須規定信號的編碼/解碼處理、傳輸層(transport)的處理手法。在下位層活用Wi-Fi Direct的底層協定。在信號的編碼/解碼方面，H.264該會出線；這個項目的最大問題乃在於信號編碼/解碼處理的延遲時間，如何檢討出低延遲的手法是一大方向；此外，內容保護的 HDCP 2.0也該在預期之中；至於在接收與傳送兩端機器之中，可以利用MPEG-2 TS的協定堆疊，也應該在目標射程。

總之，無線網路的新挑戰，已經箭在弦上，射程會有多遠，不知道。僅知業界大咖無不磨刀霍霍勢在必得，一場「典範轉移(Paradigm Shift) 」似乎在起飛中，卻也雲深不知處。

給各位看一張圖，LED日光燈也可以運用Wi-Fi來控制，而且是透過您的iPhone喔。