无线通讯蕴含宽广的创意空间
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2003-12-01 00:00
前言:
受到网络泡沫的打击,有线通讯面临顿入冷宫的窘境,相对地使得无线取而代之,彷佛是新通讯产业和技术开发的代名词。对频宽需求的减缓,直接受到冲击的莫过于骨干的光纤网络。接近客户端的局域网络则苦于速度欠缺升级的急迫性,使得传统上以世代交替的方式,以带动市场的模式之效应难以发挥。另一方面在G-bit Ethernet上,在半导体的设计和制程上亦面临低价化的瓶颈,昔日10M/100M Ethernet瞬间横扫市场的风华不再现。这在在都使得尚未大力开发的无线技术,成为聚焦点。然而WLAN是否能比照往日局域网络般的倍速交替模式激励市场,是业界必须致力创新的努力目标。
无线较有线更具发挥差异化的空间
通讯的基本物理变因不过是传输距离、传输速度以及功率的消耗。有线和无线相较之下,有线在前两者较易达到,在省电性上的苛求亦不如无线。无线相对于有线的最大特色是弹性和可移动,塑造了更宽广的应用空间。如果无线在物理性能上能够持续改进,整体的附加价值就能超越有线。有线的地位未必因此而被贬低。至少有线拥有独自的频宽资源,不若无线是被瓜分或共享的。两者可形成互补的态势,而非你争我夺,在以往的发展过程中,偏重有线甚多;现在则有逆转之势,使无线和有线居于平衡开发和运用。无线的技术发展方向,自然有一部份会沿袭有线,即是在速度和传输距离的迈进。这种物理性的跃进在通讯产业上是永恒不变的。其次是针对无线行动式的特殊要求,强调模块的小型化和省电性。有线并非不考量这些要求,惟急迫性远不及无线。上述的有线和无线发展脉络的比较分析,是基植在局域网络的观点,而非指行动电话通讯。以语音为主的网络通讯,亦具备上述的特征。惟发展的过程部份和局域网络未必雷同,故不在本文的讨论范围中。
无线在外型尺寸与耗电量的苛求成为展现创意的两大诉求
基本上无线技术的复杂度超越有线,在外型尺寸上,属于较不利的地位。有线局域网络的100Mbps版之所谓Fast Ethernet,传输速度和距离等基本性能已足敷绝大部份应用的需求,技术亦非常成熟,可径以CMOS制程完成单芯片,晶粒面积相当小,渐广泛地内建在PC主机板上。若干IA或消费性产品,亦开始支持Ethernet界面,在技术和成本上都不是问题。WLAN的问题就较大,虽然倡导CMOS单芯片的主张已经多年,至今仍未有大量生产的实例产生。WLAN在RF以及PA的复杂度,造成难以实现如Fast Ethernet芯片之泛用化;无法以单一制程毕其功于一役,亦使成本的削减和外型尺寸的轻薄,面临较大的挑战。大耗电量和外型尺寸的不易缩小,自然就不易引进至新的应用。
业界可以期待未来WLAN必可走向Fast Ethernet化之路。惟冗长的等待即扼杀了WLAN的商机。部份WLAN开发业者,亟思创新之道,以突破此一障碍。即使现在WLAN内建在Notebook上将渐蔚成风气,已成业界之共识。Notebook制造商依然十分在意WLAN之高耗电量,将会折损其在拉长电池使用时间上的努力。因此WLAN目前最大的应用市场已十足反映对比特性需求的急迫度,下一个将会大量引进WLAN的产品PDA,要求度更甚于Notebook。
微系统整合技术使WLAN模块可小如SD记忆卡
自Lucent分离独立出来的Sychip,沿袭15年前Bell Lab时代所开发的MSIT技术(Micro-System Integration Technology),运用在WLAN上,可达到缩小WLAN模块的目的。MSIT可在其独自的硅基板上产生高Q值的RF电路,并配合chip-on-chip以及Flip chip等三种技术,可明显地降低电波干扰,并使WLAN之RF、基频/MAC以及内存等全部收容在如SD记忆卡一样大小的模块内。该公司初期系使用Intersil的PRISM 3的芯片组,使用直接转换的技术,在IF滤波器以及其它搭配的零件已省略,使晶粒面积更小,得以收容在SD记忆卡内。其它WLAN芯片组制造商的产品亦可采用,并不限定PRISM 3。
天线放射效率的改善可达省电之效
在过去,谈到耗电问题,大家往往都把焦点放在半导体上。在半导体的省电化上,有若干大原则可达到效果,众所皆知的诸如新设计架构的引进,如RF的直接变换,引进微缩化技术以及芯片整合等。在半导体组件上使力,或许是斧底抽薪的根本方法,却未必最有效率。不论那种作法都得耗费相当功夫和时间。近年来业界开始注意到天线设计的重要性,包括缩小化和发射效率的改善,尤以在手机的应用最为明显;相对地在WLAN投注的开发教较少。事实上发射效率差的天线将将额外增加半导体的负荷,使耗电量增加。有效的改善WLAN天线,可大幅降低耗电量,所需付出的代价远小于在半导体设计和制程的努力。
现在WLAN内藏的天线以PIFA(Planar Inverted F Antenna)为主流,发射效率只有50~60%,换言之至少有四成的电力白白地耗费掉了,Ethertronics成功地开发出一新型天线,称为IMD(Isolated Magnetic Dipole),发射效率可一举提高至75~85%,可应用在WLAN、Bluetooth和手机上。IMD系使用两个天线接收电波,达到空间分散设计之目的,利用两天线的高隔离性,而大幅抑制EMI,并使设计具备弹性,另一优点是可以降低人体对电波的吸收率(SAR),去除无线电危害人体的疑虑。
结合多天线的MIMO技术可大幅提升WLAN之速度
利用多天线强化WLAN性能并不局限于Ethertronics的IMD代表作。ZyRay引进所谓MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术,结合多个天线,使WLAN高速化。该公司开发出称为STP(Space Time Processing)技术在讯号处理部份,完成整个MIMO的架构。MIMO的理论问世已有多年,系使用多天线,达到高速通讯;或者不增加功率消耗的情况下延长传输距离;或在相等的通讯距离下,降低耗电量。受限于需要庞大数据处理量的缺点,MIMO并未广泛地商品化,特别不适于讲求轻薄化和省电化的携带式装置。ZyRay宣称其开发的STP拓朴,可以克服此一问题,而适用于行动装置。
Agere在2002年秋亦发表使用MIMO技术,WLAN的芯片组,速度可飙至162Mbps以上。此一产品搭配三个天线,使速度为802.11a的3倍,并期待能成为802.11的标准。
AV在WLAN的应用,突显实用的价值性
未来WLAN最重要的市场是在AV的应用上,几乎已成为业界的共识。影像传输不比一般数据的传输,相当强调画质的实时传送以及稳定的呈现,不容许有一丝毫的停滞或延迟。这将需要特别的处理手法。在标准化方面,是定义在802.11e,有两大规格争取出线,一是欧洲和日本家电厂商主攻的HCF型,侧重频宽确保的技术,二是美国主导的优先级取决的EDCF技术。802.11e标准出炉的缓慢,迫使部份先驱型业者,径自开发独自的技术,尤以芯片开发业者Magis最受注目。该公司开发的技术,已可使HDTV在802.11a下稳定的传送。该公司是在MAC上苦下功夫达到上述的成果。
另有业者如ViXS Systems,则是开发另一种技术。解决画面传送稳定度的问题。WLAN传送的速度常会随各种不同时空状况产生变化。802.11b即会在1Mbps、2Mbps、5.5Mbps以及11Mbps等4种速度上跳动。802.11a最高速可达到54Mbps,最低只有6Mbps,实际上是8种速度的组合。这种跳动式的速度变化,是造成影像传送不连续的最主要元凶之一。ViXS解决的方法是开发出 – MPEG资料流的处理器『X Code』, 会根据传输速度的变化机动变更编码的格式。开发出终端专用的软件,以便随时仿真网关器MAC机能,维持每秒30个图框的必要水准。X Code提供的MPEG1/MPEG2/MPEG3编码交换,针对512Kbps ~ 19.2Mbps而做切换。
布线的重重困难扼杀有线方式应用的商业价值
影像传输将在WLAN的应用上扮演重要的角色。其在影像品质的稳定控制成为另一跨入门坎,和有线局域网络相较,WLAN在AV的应用,充分显现独特的附加价值。若干业者早已致力于AV在有线局域网络的应用,但实际的市场价值非常有限。因为在家庭环境里,本来就没有Ethernet布线的普及性。另一重点是摆放在G-bit Ethernet运用在用户回路上,替代ADSL,甚至光纤上,具备低价的经济性。惟有线的布线,不论在什么地方,都有极高的困难度,过程十分缓慢,加诸之上的应用遂常面临顿失实用价值的状况。WLAN则可摆脱这些不利因素,径转用为AV传播路径,的确相当理想,目前的问题应是业界在这方面累积的经验不够,整个业界的资源,如半导体供应等不足。此外加重亦是WLAN必须具备的条件。
WLAN创业型芯片供货商将由50家递减为5家不到
2001~2003年是WLAN埋首亟力开发的时期,恰适逢景气不振,晶圆代工厂有过剩的产能支应。可惜,此一时期为萌芽期,所需的产能有限。2004年未来WLAN最终的主流规格802.11a/g产品开始推出,WLAN渐入佳境,却碰上半导体复苏而产能吃紧的窘境。在2000年前后,全球投入WLAN芯片开发的创业公司,据估计应有50家以上。真能存活的可能不到五家。主因是WLAN初期的市场规模不如想象中大;总以强势业者TI、Broadcom等一反过去新产品高单价的传统,扮演低价催生者的角色,使创业公司的财务压力倍感吃力。2003年秋起的产能供不应求的现象,亦会对创业公司产生负面冲击。开发进度快已掌握确切生产量的业者,比较有筹码争取到产能。以上现象将造成强者良性循环,劣者恶性循环的严苛竞争环境。
RF特殊制程的引进,展现创意价值
影响2004年WLAN供货不足的原因可能将来自RF芯片。WLAN相对于手机,是较崭新的技术,但技术层次较低,促使许多RF芯片开发业者大胆使用CMOS或SiGe制程技术。这亦是WLAN另一自豪的创新点。
众所皆知使用CMOS在WLAN之RF的滥觞始于Atheros,不过跟进的厂商并不多,恐以Marvell另具代表性。不少业者着眼于CMOS性能不佳和开发时间冗长,不适于PA等考量点,选择SiGe如Intersil、Maxim、Envara、瑞昱、Ralink、络达等。SiGe被质疑的最大问题点是晶圆价格偏高。由于和0.18μm CMOS制程差距在缩小中,不会是致命伤。反倒是能够稳定大量供应RF芯片的制造商仍有限,恐将使802.11b推向802.11g,以及802.11a/g的进度不如预期快。
WLAN来日方长
另一方面WLAN已积极往更高速推动,标准定为802.11n,至少需达100Mbps以上。因此毫无疑问的WLAN的速度演进,神似于有线局域网络。后加上其广泛的应用方式,移动式的自由,外型尺寸的变化,制程的多样性,使WLAN大具创意的伸长空间。相对于市场对Ethernet速度提升的冷淡,肩负多频道AV传送能力的WLAN,将在速度的需求上远胜过Ethernet。在802.11g都面临普及化的现在,WLAN显然尚在起步不久,蕴含极大的潜力。