第一情报 ---信息产业

智慧家庭无线网络及业务的发展现状及前景展望

1、引言

 

目前,无线连接(尤其是Wi-Fi)变得近乎泛在,人们希望能随时随地通过各种终端设备接入信息娱乐内容。诸如打印机、笔记本电脑等大多数通用计算设备都内置有Wi-Fi网络模块。甚至内置Wi-Fi的冰箱、吹干机等也开始进入到家庭IoT(物联网)领域。此外,居家安全系统也迁移运行于内嵌Wi-Fi的设备,以降低安装/部署的复杂度并提供给一些更高级的服务(比如基于运动检测传感器的全动作视频录像)

 

下文将介绍2016年,Wi-Fi在家庭物联网之中的应用进展(与2015年的相比较)。并介绍消费者对于将来几年家庭无线网络及相关无线业务/应用的演进的展望。还给出将来的家庭无线网络(包括家庭数据骨干网络)部署架构。

 

2、家庭Wi-Fi发展现状

 

全球范围内,很多双向有线电视网络运营商正大力部署内置Wi-Fi AP(接入点)的DOCSIS网关设备。其中:绝大多数AP仅工作于2.4 GHz频段;最新款的网关内置了双频段(2.4 GHz频段+5 GHz频段)并发APs

 

另外,在更大的消费电子市场中,已经出现了可工作于两个5 GHz频段的独立Wi-Fi AP产品。

 

最近的“2016年家庭Wi-Fi使用情况调研结果表明,双向有线电视网络运营商给用户提供的是单频段AP还是双频段AP,并不会影响用户家中能接入的无线终端的数量,但是,双频段AP却有助于提高无线服务质量(通过数据分流减小总体拥塞)。

 

调研还发现:每个AP能支持的家庭无线终端接入数量一般平均低于7个,但是单个AP的接入能力有着很大的差别(如图1所示,最大可达20甚至更多);图1显示,每个AP的终端接入量分布曲线与一年之前的AP的相关曲线非常相似,这就意味着家庭无线终端接入量的年度增速可能会变慢;2016年的单频段AP所能支撑的终端接入量有较大的平均值,这说明,如果用户买了一个新的AP,其可能不会再继续使用旧AP,且用户在使用某个AP时,及时某个/某些终端的数据使用量较小,他们也不会断开Wi-Fi连接。

 

调研中发现的用户家中Wi-Fi AP一周内的终端接入数量[1]

 

“2016年家庭Wi-Fi使用情况调研还发现,相比于2015年,2016年的2.4 GHz单频段Wi-Fi AP显得更为拥挤(所承载的数据量更大)。

 

3、将来家庭无线网络业务发展展望

 

目前,市场上出现了很多种新兴业务,这使得消费者对家庭无线连接的需求越来越大。各个无线网络技术标准组织也争相研发将来的家庭无线网络架构。

 

1)将来家庭无线网络业务应用场景

 

总体上,将来的无线连接有两大发展方向:低功率/功耗及低比特率;高性能及高比特率。

 

下文主要介绍将来的家庭物联网应用及家庭VR(虚拟现实)应用。

 

新兴的物联网市场正在驱动很多创新型业务/应用的产生。有很大市场发展空间的物联网用例是家庭传感与安全,相关的家庭终端设备,有的(比如智能门锁、窗户传感器等)需要具备低功耗能力(以使得这些无线设备有长/很长的使用寿命),有的(比如部署于家庭周界的动作/入侵传感器)则需要有长距离、低码率的无线网络传输能力,有的(比如用于家庭视频监控的摄像机)对于高速且低延迟/时延的无线数据传输速率有严格需求。

 

为了给用户家中的所有物联网设备提供全覆盖能力,需要部署可工作于多个无线频段、采取多种无线协议的Wi-Fi网络技术:对于低功耗的需要长距离覆盖的那些家庭物联网应用,可部署工作于900 MHz频段的IEEE 802.11ah设备,以提高服务质量;对于需要大带宽、低延迟/时延的家庭无线物联网应用,则需要部署工作于2.4 GHz频段与5 GHz频段的Wi-Fi APs

 

而在将来的家庭信息娱乐市场中,4K超高清电视、VR虚拟现实、8K超高清电视等是发展方向。值得一提的是,与其他类型的视频服务相比,VR视频对于低延迟有更大的需求——即使用户家中有多人在同时观看相同的VR视频,每个人通过转动头部变换角度也会看到不同的内容。从技术角度来看,为支撑这样的VR视频服务,家庭Wi-Fi网络需具备以甚低延迟传输多路高比特率VR视频流的能力,而现有工作于2.4 GHz频段与5 GHz频段的Wi-Fi APs均不具备相关能力。与4K/8K超高清视频及VR视频相关的传输速率潜在增长需求如图2所示。

 

2[1]

 

在将来,WiGig(即工作于60 GHz频段的Wi-Fi)或将可满足上述相关需求。60 GHz频段的Wi-Fi无线信号遇到固体障碍物时会遭遇很大的功率衰减,在4K/8K超高清视频或VR视频的房间部署60 GHz频段Wi-Fi AP,由于墙体对于信号的衰减很大,各房间的AP相互之间就不会产生干扰。

 

260 GHz Wi-FiWiGig)及其发展现状、前景

 

正如上文所述,WiGig可提供高速、低延迟的家庭无线连接。60 GHz频段有着丰富的无线频谱资源(可用物理带宽超过8 GHz),而现有Wi-Fi所使用的2.4 GHz频段与5 GHz频段仅分别只有79 MHz600 MHz的可用物理带宽。

 

目前市场上最新的符合IEEE 802.11ad标准的WiGig产品在室内环境可提供高达6 Gbps的点到点无线链路速率。预计下一代的WiGig产品将可支持室内多用户接入场景及室外无线网应用,具备更大的系统吞吐能力及更强的灵活性。

 

此外,IEEE 802.11标准委员会正在研发制定下一代60 GHz Wi-FiWiGig)标准,其为对IEEE 802.11ad标准的修订版本,标准编号为IEEE 802.11ay,将有望在2020年完成。而符合IEEE 802.11ay标准的下一代60 GHz Wi-Fi产品可能将会很快出现。

 

由于60 GHz位于很高的频段,当收/发器处于视距范围内时,系统才具有最佳的吞吐能力。而由于信号功率衰减快,非视距无线传输虽然可以实现,但是需要发射端与接收端均具备大的动态范围(功率方面),且需进行增益控制。

 

WiGig中,天线的选择与设计是非常重要的。由于工作频率很高/波长很短,天线单元就显得很小。而由于天线的尺寸小,产品的功率传输特性就面临挑战。为了规避这些劣势,可采取60 GHz频段天线阵列的方式——其中,由于每一副天线的尺寸很小,整个阵列的尺寸相比于现有2.4 GHz频段天线及5 GHz频段天线的尺寸仍要小。下图为适用于部署于60 GHz Wi-Fi AP产品的天线阵列(共256副天线)。而60 GHz Wi-Fi终端的天线阵列宜采取更小的天线阵列。

 

3  256单元天线阵列芯片[1]

 

天线阵列在提高整体接收性能方面具有优势,但相较于现有的低频Wi-Fi需要更大的预处理及后处理能力。高精度/高指向性天线能提供更高的增益,但同时也收窄了角窗口:如果一个60 GHz Wi-Fi AP需要接入分布在较大地理范围内的较多无线终端,就需要提高阵列中的天线单元数量以为每个无线终端提供高质量的独占无线链路,且AP的部署位置需要精确设计。例如,某个60 GHz Wi-Fi AP的最佳部署位置是房间里的一个角落,那么,在水平平面,该AP对于各个无线终端的分布的视角就是90°。某个60 GHz Wi-Fi AP的最佳部署位置是房间的天花板附近,那么,在垂直平面,该AP对于各个无线终端的分布的视角就是90°。图460 GHz Wi-Fi AP在用户家中的最佳部署位置的示例。

 

4[1]

 

4、将来家庭无线网络的架构展望

 

若把上文所述的各种主要技术挑战综合起来考虑,未来的家庭无线网络就应该将是一个由多个工作于不同物理频段、具有潜在不同用例(家庭无线应用)的无线APs(热点)的复杂网络。届时:用户家庭中所有的低功耗无线IoT(物联网)终端设备将可由一个集中式IoT AP(工作于900 MHz)来提供无线连接服务,也将可由多个分布式部署的工作于2.4 GHz频段的Wi-Fi AP来提供无线连接服务。对于高速、低延迟/时延类型的家庭无线物联网业务,最好采取多个分布式部署的Wi-Fi AP(或许要在每个房间都部署一个AP)。

 

1)将来家庭无线网络的骨干网络

 

由各家内容/服务提供商所提供的信息娱乐及Internet数据通过通信企业或广电有线电视网络的固网甚至无线宽带网接入到部署于用户家中的家庭宽带接入网关设备,这些数据需要再通过家庭网络传送到相应的终端设备。

 

服务于低功耗、小数据率家庭无线物联网设备(分散于用户家中各个地方)的集中型IoT局端,最好应部署于靠近家庭宽带接入网关设备的位置。

 

而那些对高数据率、低延迟有着较高要求的家庭无线物联网设备则应由部署于用户家中不同位置的Wi-Fi APs网络来提供数据接入及回传服务——其中的每个AP可被灵活配置为在某个房间内提供特定的家庭无线物联网应用服务。此外,这些Wi-Fi APs将需要由一个家庭骨干数据网络来连接至家庭宽带接入网关设备。

 

家庭骨干数据网络将是将来家庭分布式无线网络的一大重要组成部分。其中,如果无线技术传输挑战性问题得到解决,这种骨干网络也可意义无线形式来组建。比如,可以采取具有高度精准波束的60 GHz频段无线设备来部署家庭骨干数据网络,但是,为了获得最大的比特传输速率,还得需要进行视距无线传输。

 

也有一些公司提出以无线网状网来构建家庭骨干数据网络的解决方案。单路无线连接并不能在家庭环境覆盖较远的距离,但是,现有的工作于5 GHz频段及2.4 GHz频段的Wi-Fi APs无线网状网在系统容量方面还是太小,根本不能满足将来在用户家中传送4K/8K超高清晰度视频内容以及VR(虚拟现实)/AR(增强现实)内容的需求。

 

另外,也可以以有线网络方式来构建家庭骨干数据网络。此方面的相关成熟标准有MoCAG.hn,目前,遵循这两大标准生产的网络设备均可达到Gbps级别的数据传输能力,将来还将具备更大的数据传输能力。而目前,这种解决方案所面临的最大技术挑战在于如何把数据传送到部署于用户家中不同位置的Wi-Fi APsG.hn电力线系统将可通过用户家中的电线来传送数据。MoCA系统将可以以一个局端设备传送MoCA数据来把家中的布线降低到最小程度。

 

2)家庭无线网的未来演进

 

上文中所讨论的2.4 GHz频段、5 GHz频段、60 GHz频段是非授权频段。目前,全球范围内,移动通信基础网络运营商也在研发相关技术(比如LAALTE-U等)来使用上述频段,这样可以不用向通信监管部门缴纳大笔频谱使用费。预计在将来,这种运行于非授权频段的无线/移动网络会对家庭无线网络造成一定的影响。比如,要是用户也在家中部署一个工作于5 GHz频段的LTE-U小基站,5 GHz Wi-Fi APs的正常工作就将会受到干扰,而且两者间也许会产生相互干扰。随着人们的无线消费电子设备越来越多,此种类型的挑战将会愈发显著。

 

5、总结

 

将来的家庭无线网络系统将会比现在的具备更多的家庭无线物联网应用场景、更大的数据(有线或无线)传送能力。4K/8K超高清晰度视频以及VR/AR将是决定家庭无线网络快速升级演进的关键因素,一些新兴的无线传输技术(比如工作于60 GHz频段的WiGig)将可应对由此而带来的挑战。其他新兴业务(比如LTE-U)将给家庭无线数据网络的正常运行带来新的挑战。为此,双向有线电视宽带接入网络运营商需要随时关注新兴智慧家庭业务的发展动向,以进行业务、技术、服务的升级规划。

 

 

参考文献

 

[1] Carol Ansley. ADVANCED WIRELESS POSSIBILITIES[C]. 2016 Spring Technical Forum Proceedings, 2016-06-20.

 


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