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全面檢視Wi-Fi Direct
從技術到策略

【作者: 陸向陽】   2010年05月06日 星期四

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2009年10月14日,Wi-Fi聯盟提出Wi-Fi Direct(之前代號階段稱為Wi-Fi Peer-to-Peer)的新認證標準,聯盟表示:預計2010年初即開始會有業者設計及測試支援該標準的Wi-Fi產品,並約在2010年中會有正式通過認證的產品。



Wi-Fi Direct可讓Wi-Fi裝置間不用透過無線路由器或無線接取點(Access Point;AP,也稱Hot Spot)便可通訊,增加使用便利性。



《圖一 Intel曾於各種場合(CES、IDF)展示其My Wi-Fi技術,圖中即是用筆記型電腦充當Wi-Fi AP來操控具有Wi-Fi通訊能力的履帶型玩具機器人。》

資料來源:krunker.com


Wi-Fi Direct並非創舉


事實上早在Wi-Fi Direct提出前,Wi-Fi裝置早已具備相互通訊的能力,Wi-Fi具有2種運作模式:Infrastructure模式、Ad-hoc模式,前者即是一般普遍常用的模式,須透過AP進行資料轉傳,後者則允許不透過AP而直接互連,理論上Ad-hoc應該更為方便簡易,但實務上卻很難設定,且各家作法不一,因此鮮有人用。所以,Wi-Fi Direct除了要達到與Ad-hoc一樣的直接互連功效外,另一個用意在於:讓設定簡易化、標準化。



除了Ad-hoc外,實際市場上也早有其他允許Wi-Fi裝置互連的技術方案,例如諸多業者銷售的Wi-Fi無線網卡,若接於PC類裝置(Desktop、Notebook,或其他具充沛運算力的裝置,如電視遊樂器、數位電視)上,只要加裝對應的驅動程式,即可運用PC的處理器來執行一般Wi-Fi AP的運算工作,使PC可充當Wi-Fi AP,如此達到互連效果,而Intel提出的My Wi-Fi、Atheros的Direct Connect、Marvell的Mobile Hotspot等技術,均是相同的實現方式,完全只在軟體上進行修改,以增加運算量、假扮AP的方式來實現互連。



同樣的,Wi-Fi Direct也是相同的實現技術,因此原有Wi-Fi晶片不需要任何修改,Wi-Fi電路也同樣不用修改,硬體上完全相容過往,只追加軟體便可達到互連效果,差別只是:Wi-Fi Direct是由Wi-Fi聯盟(簡稱WFA)提出的標準而已。



也由於不需要任何的硬體修改,因此也不需要倚賴IEEE 802.11的任何新底層標準,包括IEEE 802.11s(Mesh網路)、IEEE 802.11z(直接互連設定)等均不需要。相反的,現有大眾手邊已在使用的Wi-Fi裝置,將有機會以「直接升級驅動程式」的方式來支援Wi-Fi Direct。



倘若Wi-Fi Direct需要硬體變更才能支援,則現有已售出產品將無機會支援,或可能要回送進行軔體升級或電路修改才行,然如此程序不如購買新品。不過,也非所有裝置均可直接軟體升級,能直接軟體升級的多為PC,若為Wi-Fi印表機、Wi-Fi Phone等,出廠後即無簡易方式讓使用者自行手動升級,依然必須回送,進行軔體更新,或乾脆買新品。



《圖二 Bluetooth的最大宗應用為手機無線話筒,其次即為電腦的指向裝置(滑鼠、鍵盤),或遊樂器的操控裝置,圖為任天堂(Nintendo)Wii遊樂器的控制手把:Wii Remote,該手把運用Bluetooth與遊樂器通訊。》

資料來源:wiinintendo.net


Wi-Fi Direct特性剖析


了解Wi-Fi Direct的功效、立意、實現方式後,進一步可了解其細部運作特點,Wi-Fi Direct會讓所有支援Wi-Fi Direct的裝置間,建立起所謂的Wi-Fi Direct網路,與原有需要AP的正規Wi-Fi網路不同,為兩個分別存在的網路。



Wi-Fi Direct底層技術及標準與原有Wi-Fi技術相同,所以傳輸距離、傳輸速率也相同,在11g標準下可達54Mbps速率、100公尺距離,11n可達250Mbps速率。另外,Wi-Fi Direct並不限於兩裝置互連,而是可以多裝置互連,只要整個Wi-Fi Direct網路中有一個裝置兼充AP角色即可。



至此或許會有人問:有了Wi-Fi Direct後,是不是不再需要有Wi-Fi AP了?此答案為否,Wi-Fi Direct是用在真的附近都沒有AP時的權宜性功效,使用Wi-Fi Direct的副作用是Wi-Fi裝置耗電會加快,若用電池運作則會更快用完電力,此外喬裝、兼充的AP,功效也不可能與真正AP全然相同,例如可連接的裝置數就低於真AP,功效最佳化等方面亦不如真AP。



既然正規Wi-Fi網路與Wi-Fi Direct網路為各別存在,那是否Wi-Fi裝置同時間只能擇一而用?其實Wi-Fi裝置可同時使用這兩個網路,而且可達到跨連效果,即只加入Wi-Fi Direct網路的裝置,也可以跟只加入正規Wi-Fi網路的裝置互通。



更重要的是,兩網雖可互通,且兩網均使用WPA2加密標準,但兩網可各自運作自己的一套加密機制,如此裝置必須同時通過兩道安全機制審核,才可能達到跨網通訊。除了兩網互連外,若兩個網路中有任一裝置可連上Internet,也可以將連線資源分享出來,讓其他裝置也有機會連上Internet。



不僅可連上Internet,Wi-Fi Direct也支援企業無線環境,可連上企業提供的Wi-Fi無線網路,並遵循企業的無線網路管理(存取權限、連線時間、連線頻寬、允許的連線頻道等)。



《圖三 OLPC XO-1的新興國家學童用筆電也可以做到不需透過AP便可相互連線(考慮到新興國家的AP佈建不夠廣多),但其倚賴的技術標準為IEEE 802.11s,目前尚少Wi-Fi晶片支援此標準。》

資料來源:OLPC.com


相容諸多現行標準


若再進一步探究,Wi-Fi Direct網路必須有一個裝置先發起,由其建立起網路,而其他Wi-Fi裝置只要能支援傳統Infrastructure運作模式,就可以加入Wi-Fi Direct網路(這些裝置會以為自己是與正規AP溝通聯繫)。



至於發起的裝置,通常有較強運算力、較多的電能,由其統籌整個Wi-Fi Direct網路中各裝置的連線、斷線。



另外如前所言,Wi-Fi Direct將會使扮演AP角色的裝置更為耗電,為了能精省用電,Wi-Fi Direct裝置也支援WMM Power Save標準,不過這依然不夠,Wi-Fi聯盟有意針對Wi-Fi Direct提出新的省電標準,而支援WMM Power Save也連帶支援WMM,所以Wi-Fi Direct也具有頻寬管理(Quality of Services;QoS)功效。



有了上述的完整機制規劃、設計後,Wi-Fi裝置間如何在網路中探尋(Discovery)另一個裝置具備何種服務功效?(例如哪個裝置可列印、哪個裝置可通話)關於此可使用Microsoft提出的UPnP(Universal Plug and Play;通用隨插即用),或是Apple提出的Bonjour,但Wi-Fi聯盟將制訂一套新的探尋法。



歸結而言,Wi-Fi Direct是一個軟體化實現AP的標準,希望能取代、統整歸納原本已存在的多種軟體AP標準,同時也變相取代過去的Ad-hoc模式,真正實現過往Ad-hoc模式設定的便利應用目標,且速率更快、連線管理更完整等(Ad-hoc模式的機制相當陽春)。



《圖四 電視遊樂器可能預設的基本配備中不具有Wi-Fi功效,但仍可透過選購使其具備Wi-Fi功效,加上電視遊樂器有充沛的運算力,因此未來也可能成為Wi-Fi Direct標準的潛在推行目標,圖為Xbox 360專用的Wi-Fi擴充套件。》

資料來源:igadgetsonline.co.uk


從技術到陣營策略


談論完技術機制面後,再來談談產業面,甚可說是產業政治面,Wi-Fi Direct的提出,從某種層面可視為:Wi-Fi聯盟期望增加更多的認證測項,來增加其收益,如此現有的Wi-Fi晶片業者、Wi-Fi模組業者、Wi-Fi應用產品業者等,將可能要支付更多的認證測試費,尤其以筆記型電腦應用首當其衝,其次則為桌上型電腦(外接Wi-Fi無線子卡)、電視遊樂器(選購Wi-Fi無線套件)、具Wi-Fi功效的數位電視等。



再自另一面看,由於藍牙陣營(Bluetooth SIG)也積極提升Bluetooth的速率,在既有跳頻機制已難以提升速率後,開始考慮換用底層的射頻標準,但仍保持上層的協定設計,一開始選定使用超寬頻(Ultra Wideband;UWB),但在超寬頻標準、技術推進遲緩後,Bluetooth SIG轉考慮IEEE 802.11的射頻標準,如此Bluetooth即與Wi-Fi相同,底層均使用IEEE 802.11射頻。



一旦兩者都使用相同射頻,加上Wi-Fi、Bluetooth原本即均是使用2.4GHz頻段(Wi-Fi亦有用5GHz頻段,但仍以2.4GHz頻段為多),天線可共用,且已有諸多晶片業者運用CMOS製程技術(與其他無線射頻晶片所用的製程相比,CMOS製程最利於整合與低成本化),將Wi-Fi、Bluetooth的功效電路整合為一,進而銷售,從種種角度看,Wi-Fi與Bluetooth將更為融合,以致定位重疊的憂慮日益明顯。(附註:Wi-Fi Direct可同時使用2.4GHz頻段或5GHz頻段,或者只用2.4GHz頻段,但不可只用5GHz頻段。)



而Bluetooth與Wi-Fi相較,明顯有兩大優點:一是省電、二是便利的連線,尤其在配對連線上甚為普遍,即是一對一連線,如Bluetooth無線話筒與Bluetooth手機,或如Wii遊樂器及Wii Remote控制器等。



在省電方面,Wi-Fi聯盟必須另想對策來與Bluetooth競爭,但在對付「連線便利」方面,Wi-Fi聯盟便以新訂立Wi-Fi Direct標準來因應,潛在想定的競爭標準為Bluetooth SIG研擬的Bluetooth 3.0+HS(High Speed高速版)。



另外,雖然Wi-Fi Direct是一個能完全以軟體升級方式實現的新標準,不過全然以軟體執行的作法卻相當耗電,所以未來不排除新的Wi-Fi晶片,很可能直接以硬體電路方式來支援及執行Wi-Fi Direct機制,如此過於耗電的問題將可紓緩。



《圖五 Wi-Fi Direct目標在於簡易、便利使用,而非就此取代無線接取點(AP),圖為典型的家用Wi-Fi AP。》

資料來源:ecvv.com


結語


若檢視過往,Wi-Fi與Bluetooth確實一直有著瑜亮情結,早先Bluetooth先定位為橫跨3C應用的無線區域網路(WLAN)標準,但沒想到Wi-Fi以專注於資訊領域的方式快速發展崛起,使Bluetooth成為WLAN主流標準的期望落後,進而必須轉訴求為無線個人區域網路(WPAN)的新定位以求另有發展。



事實上Bluetooth只是走回最原初的定位,最初是Ericsson為了取代傳統實線的手機話筒而發展的無線傳輸標準,之後在先後加入其他大廠後,才擴展成跨3C通訊的目標,而後Bluetooth雖因敗給Wi-Fi而轉進WPAN,但使用上的最大宗仍是無線話筒,其次才是遊樂器控制器、滑鼠鍵盤等裝置。



現在,Bluetooth與Wi-FI再度短兵相接,同樣是Peer-to-Peer(P2P)的配對傳輸應用上,Bluetooth具有省電、便利的特點,而Wi-Fi則有傳輸距離長、速率快等特點,而新的Bluetooth 3.0+HS以提升速率為主,但仍盡可能保有省電優勢(仍會比過往的Bluetooth來的耗電),Wi-Fi Direct則強化便利使用性,但用電量也會增加。



此外,Bluetooth在P2P應用市場上有先佔、主佔的地主優勢,Wi-Fi Direct能否成功挑戰Bluetooth的地位,仍有待觀察,現階段不易論定。



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