手机vs笔记本电脑,无线电技术如何选择?

2018-05-10 来源:Qorvo半导体 我要评论(0) 字号:

您是否曾经疑惑为什么手机能支持LTE、Wi-Fi 和蓝牙无线通信技术,而平板电脑和电脑中通常只能支持Wi-Fi和蓝牙?进一步讲,为什么您会知道Wi-Fi、蓝牙和LTE 这些名称呢?

当无线数据通信技术和标准仍在继续发展的同时,新的标准和专有技术(如Zigbee)也开始引起人们的注意。我们如何区分噪声和真正重要的信息?下图展示了在日常生活中发挥作用的各种无线技术,让Cees Links带着我们从全局出发,一起了解无线通信标准的发展史吧。

无线数据通信技术

技术先行,三大因素相互制约无线电技术

目前,覆盖范围、数据速率和功率这三个因素比无线电技术更重要,而且我们在日常生活中也都遇到过,例如如下的场景:

当我们的手机连接至基站时,笔记本电脑连接至家中路由器时,蓝牙耳机连接至手机时,必须要在设备的“覆盖范围之内”。

我们还非常熟悉数据速率,尤其是在我们观看视频或听音乐的时候。迄今为止,Wi-Fi 在数据速率领域一直占据优势,但现在我们已经能够利用LTE 和5G 实现类似的数据速率,虽然价格可能会很高。

最后,尽管我们已经习惯定期对手机和笔记本电脑进行充电,但在那些令人烦心的时刻,即当我们准备使用耳机或智能腕带等小型设备,结果发现它们没电的那一刻,我们才会记起功耗的重要性。

这三个因素以一种有趣的方式组合在一起,如果尝试改进其中一个因素,另外两个因素就必须让路。当然,随着时间的推移这三者已经实现了整体改进,但是相互之间的关系仍未发生改变。

例如,如果您想要提高数据速率,那么您必须缩小覆盖范围或提高输出功率。目前速度(数据速率)更高的Wi-Fi 却拥有比过去更小的覆盖范围,而且通常都需要使用中继器——这是分布式Wi-Fi 或网格Wi-Fi 发展的推动因素之一。这种关系同样适用于Zigbee(“低功耗Wi-Fi”),实质上,Zigbee 的覆盖范围和Wi-Fi 一样,数据速率也较低,但其功耗却明显更低,因此可实现非常长的电池续航时间。

这种平衡局面中还存在第四种因素,而且我们在日常生活中可能很少意识到这点,这个因素就是频率。更高的频率会缩小覆盖范围,或要求更高功率来实现相同的覆盖范围。但是更高频率具有更多带宽的优势,因此可实现更高的数据速率。这说明了为什么提高数据速率往往需要提高频率。Wi-Fi 的最新版本都是在60 GHz 频段中实现的,目标是实现高达100 Gb/s 的数据速率(.11ay)。

对于无线电技术我们有很多内容可以说,但在很大程度上,以上因素就是在手机中采用三种无线电的原因。

· LTE 用于实现覆盖范围,以连接至离您小区最近的基站 ;

· Wi-Fi 用于实现家中或办公室中的连接性能 ;

· 蓝牙则用于实现短程连接至您随身携带的小型设备,如手机耳机或智能腕带。

那么,为什么笔记本电脑和平板电脑通常只采用两种无线电呢?虽然存在一个合乎逻辑的答案,但我们还必须了解一点历史知识。

三种无线电技术的发展历史

在相对较短的时间里,我们已经了解了三种新技术的发展和趋同 :

手机:通过低速数据通信的方式远程连接我们。

无线电/ 电视:通过有线或卫星运营商采用单向高速数据通信的方式进行音频/ 视频广播。

电脑:包括将所有事物联系在一起的双向高速网络。所有的通信最初都是通过有线电缆(铜或光纤)实现, 但是随着无线便利性的体现,无线通信开始流行起来。

随着技术的进步,手机、电视、笔记本和平板电脑之间的差异开始慢慢消失。在某种程度上,它们都逐渐成为“联网电脑”,但是仍拥有各自的无线通信标准历史,因为它们都各自经历了从有线到无线技术的过渡。手机和电脑的发展更具动态性,但是由于电视基本上是静态(非移动)设备,有线/ 卫星行业大部分时间都停留在自己的有线世界之中。

随着手机变得更类似于电脑(即智能手机),以及电脑开始支持各种类似于视频和手机的通信能力,过去和目前发展的联网技术有时候会存在矛盾,这点并不奇怪。

3GPP&IEEE 802.11,不同的联网技术标准

3GPP 是当今的无线手机通信标准化机构,而IEEE 802.11 则是无线电脑数据通信的标准化机构。3GPP 主要由手机运营商及其政府赞助部门组成,因为运营商最初都是政府机构(在一些国家,运营商目前仍是政府机构)。IEEE 802.11 则在计算机行业根深蒂固,除了学术界和监管机构,IEEE 802.11 还拥有大批工程师会员,他们大部分由其雇主公司赞助。

IEEE 802.11 和3GPP 还具有另一个根本性区别:政府赞助的3GPP 采用许可频谱——可在一定时间内获得,用于提供通信服务。作为频谱许可方,政府负责确保频谱只能由被许可人使用;但IEEE 802.11 却并非如此,该标准化机构根据一组权限有限的规则制定了“无牌”频带(由政府拨出用于“免费使用”的频段)领域适用的标准,这样实际应用的干扰范围停留在局部。这些频段被称为ISM(工业、科学及医学)频段,并可在2、5 和60 GHz 频段范围内找到。

赞助其工程师制定IEEE 802.11 标准的公司需要强制遵守IEEE 802.11 标准定义。(IEEE 802.11 本身并不对合规性进行监管。)所以,这些感兴趣的公司成立了一个Wi-Fi 联盟,以便在Wi-Fi 品牌下强制执行和推广IEEE 802.11 标准——毫不夸张的说,Wi-Fi 品牌是当今最有价值的品牌之一。另一方面,3GPP 从未真正地致力于实施一个针对消费者的具有凝聚力的品牌战略。3GPP 这样做是有道理的,因为它是运营商组成的利益集团,通常对市场具有一定的掌控力,它们从不需要像Wi-Fi 和蓝牙那样去赢得消费者的支持。所以,它们无需担忧品牌一致性问题,只需将一整套不断完善的标准从GSM/GPRS 迁移至3G、Edge、4G、LTE 以及现在的5G,而这种迁移可能涉及一系列新的实施。

Wi-Fi 的竞争与成功

20 世纪90 年代出现Wi-Fi 时,“3GPP 领域”普遍都在问:为什么需要Wi-Fi ?那时,3G 标准化进展顺利并承诺实现高数据速率,而连接至或集成至笔记本电脑的3G 调制解调器可提供无所不在的连接。那么,为什么要使用Wi-Fi 呢?人们普遍认为,“无牌技术”迟早会消失,因为在无牌频带中,缺乏监管会导致性能呈螺旋形迅速下降。

当然,如今我们都知道结果截然不同。Wi-Fi 已经找到了一种方法使其能够在无牌ISM 频段中适当运行,并满足室内、家中或建筑中的无线连接需求,而3G 却不具备良好的穿透性能。通过从2.4 GHz 频段发展到5 GHz 频段,Wi-Fi 可迅速提高其数据速率,并扩展其能力。此外,通过发展至60 GHz 频段,其数据速率和能力预计将进一步提高。増程器技术以及最近的分布式Wi-Fi(“Wi-Fi 网格”)理念亦为Wi-Fi 迄今为止取得的成功提供了支持。

Wi-Fi 之所以能够成功,其中一个很重要的原因就是通过3G 实现的数据通信要求手机运营商订阅付费服务,并需要一个初期成本非常高的数据计划,更不必说漫游费用。相比之下,Wi-Fi 是免费的——或至少通过固定电话、ISDN 和之后的ADSL 实现的Wi-Fi 技术增量成本比较有限。

所以现在出现了有线运营商与无线运营商直接竞争的局面,最终推动Wi-Fi 获得了全球认可。由于担心如果“过度使用”3G 技术进行数据通信会导致语音服务崩溃,无线运营商最初不鼓励使用3G 技术(因而鼓励使用Wi-Fi),从而为Wi-Fi 的推广做出了贡献。尽管3G 实际上被设计用于语音通信,但通过将3G 营销为具有数据元素,3G 支持者在这方面并未帮助到自己。

顺便说一下,这回答了为什么大多数电脑和平板电脑只有两种无线电技术这个问题。由于Wi-Fi 可实现经济高效的多功能网络连接,所以很少将3G 许可无线电(及其后继者)集成到电脑或平板电脑中。集成式3G 无线电的成本相对来说太高。当需要移动解决方案时,用户过去一直会转向3G 软件狗之类的设备,而现在用户通常会使用手机热点。

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