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LTE Direct技術特性和應用情境探析

2015-09-21
作者: 鄧全富 孫潤喜

       眾人皆知的,適地性、方位性服務 (Location-Based Service, LBS) 是未來趨勢,例如附近哪里有牛排館、墨西哥餐廳?哪里有加油站、停車場?人們期望透過車用導航器或手機得知這些信息。

       但人們也逐漸發(fā)現(xiàn),只有LBS是不夠的,即便每個月更新車用導航器的地圖信息,了解所經(jīng)路段是否有停車場,但導航器卻無法顯示該停車場是否還有空余車位?換言之,不僅要有靜態(tài)信息的LBS,更要有動態(tài)性、實時性的LBS。

       動態(tài)實時的適地性信息有多重要?可以再用幾個情境為例來說明,假如有個人買了晚上七點演唱會的門票,六點就已經(jīng)在演唱會會場附近的鬧區(qū)逛街,突然發(fā)現(xiàn)今晚十二點以前一定要交出一份報告,目前還有收尾部分沒寫完,因此只能犧牲演唱會。

       但門票已經(jīng)買了,當場作廢很可惜,就算能用手機上網(wǎng),立刻到網(wǎng)絡上以折扣方式拍賣門票,也有人立即回應想買,但兩地相隔太遠,且演唱會再一個鐘頭就要開始了,根本無法成交。

       這時,如果用手機發(fā)出信息“XXX演唱會門票,剩50分鐘開演,因故6折廉讓”,手機基站接收到這則信息后,將該則信息向自己覆蓋面積內(nèi)的所有手機擁有者廣播這則信息。

       假如該基站的覆蓋面積為5平方公里,5平方公里范圍內(nèi),總有個人只是純逛街,晚上沒特別活動安排,臨時看到這則信息,也想?yún)⒓舆@場演唱會,便可以直接與想拋售門票的人通話,約定在附近的某處,當面銀貨兩訖。

       類似的情境也很多,原本每周的周日晚間,烤肉店的生意都很好,但臨時才發(fā)現(xiàn)這周的周日晚間已經(jīng)七點了,仍有一半的桌位沒坐滿,原來今晚是世界足球賽的決賽,大家都在家看實時轉(zhuǎn)播,或到有電視的餐廳用餐。

       這時店家可以發(fā)出信息“YYY烤肉店,三人同行一人免費,只限今晚”,相同的,基站快速將這則信息廣播在附近覆蓋范圍內(nèi)的所有人(嚴格而論必須是同一家電信營運商),每個人的手機都浮現(xiàn)這則信息,若本來就是四個朋友一起在附近逛街的,就直接前往光顧烤肉店,或僅有三人的,也透過相同方式在附近找到一位單獨興趣者,湊成四人共同前往。

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       類似的動態(tài)、實時、鄰近需求有太多可以發(fā)揮想象,例如籃球賽五打五,臨時缺一個球友(半小時前跌傷腿、老婆突然要生產(chǎn)),找看看附近可有高手能臨時加入?缺默契總比缺賽棄權好吧?或臨時要從甲地到乙地,也發(fā)訊廣播,征求順路的共乘者,共同分擔出租車費用。

       上述的需求與情境,在3GPP R12標準中即有一項技術試圖將這些實現(xiàn),此稱為LTE Direct。LTE Direct最初(約2013年)稱為LTE D2D (Device-to-Device),意思是手機(設備)與手機(設備)直接溝通聯(lián)系,不用透過基站代為傳遞,但之后確定稱為LTE Direct,有時簡稱LTE-D。

       圖1:以臨時轉(zhuǎn)售門票為例的LTE Direct運作程序。

       事實上3GPP R12標準包含相當多內(nèi)容,LTE Direct只是其一,其他也包含LTE-Hi (Hotspot/indoor)、LTE-U(U指Unlicensed spectrum未授權頻段,LTE-U也稱LTE-LAA, License Assisted Access)、LTE Broadcast(學名為eMBMS, evolved/enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service)、LTE-M(也稱LTE-M2M、LTE-MTC, Machine Type Communications),但本文只談論LTE Direct,其他暫略。

       LTE Direct還有許多別稱,例如德國電信將其稱為LTE Radar(雷達),或Qualcomm在營銷上以“數(shù)字第六感,The Digital Six Sense”來形容、譬喻它。另外LTE技術文件談及ProSe (Proximity Services) 時也多與LTE Direct有關。

       段標:LTE Direct技術上如何運作?

       LTE Direct立意良善,但技術上如何實現(xiàn)?首先,LTE Direct將手機擁有者發(fā)出的信息稱為表達 (Expression),LTE基站在原有的上行、下行帶寬中,在上行的部份,每隔20秒就保留64毫秒的時間,讓覆蓋區(qū)內(nèi)的每臺手機有機會上傳“表達”到基站上。

       更詳細地說,64毫秒再細切成64個子幀 (Sub-Frames),每個子幀占1毫秒時間,1毫秒時間內(nèi)會上傳44個表達,所以每隔20秒基站可以更新2,816個表達。

       每個需求者都向基站發(fā)出信息(表達),基站只負責更新這些表達內(nèi)容,一旦有人對某一則信息有興趣,基站就讓兩人直接用手機溝通交流,不再需要透過基站,而每隔20秒更新2,816個表達,占用基站原有上行服務帶寬不到0.3%。

       所以,LTE Direct并非全程直接通信,初期仍是由基站負責更新表達信息。此外基站也扮演安全把關者,基站會辨識手機持有者的身份,如偵測手機SIM卡是否合法?PIN密碼是否正確?若未透過基站與后端進行信息查核,全程任意讓陌生的2部手機直接聯(lián)系、交易,若為黑心交易(例如假的演唱會門票),則難以追溯法律責任。

       而手機與手機一旦直接聯(lián)系,理論上,在毫無視線遮蔽 (Light of Sight, LOS) 下最遠達500公尺距離。但根據(jù)2015年2月的實測報告(使用2.6GHz頻段,通道帶寬5MHz),鄉(xiāng)區(qū)環(huán)境無遮蔽下可達550公尺(高過理論值),市區(qū)環(huán)境因干擾較多,無遮蔽下降為350公尺,若傳輸路徑中有視線遮蔽 (NLOS) 更降至170公尺。

       另外也包含移動速率的測試,在鄉(xiāng)村環(huán)境下,手機以時速120公里移動(乘車情境),基站仍可正常探索(收集、更新)表達信息,但市區(qū)環(huán)境在無遮蔽下,必須在時速50公里以下才能正常探索,若市區(qū)有遮蔽,則必須低于時速30公里。

       附帶一提,為了讓每一則表達具有獨一辨識性,LTE Direct標準研擬的初期,也討論到表達信息的辨識信息長度,可能為64位,也可能為128位。

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       圖2:LTE Direct每20秒更新2,816個表達信息(初期技術提案)。

       段標:LTE Direct技術細節(jié)更新

       上述的LTE Direct技術運作,之后進行了部分調(diào)整修正,原本每隔20秒上傳、更新一次覆蓋區(qū)內(nèi)的“表達”,改成每隔10秒更新一次,但每次依然是64毫秒,也依然是2,816則表達。

       也因為加快了更新速率,對LTE基站而言,上行帶寬的耗占 (Overhead) 也增加了,原本是少于0.3%,而今改口“少于1%”,但依然相當少,一般的LTE手機通話、上網(wǎng)幾乎感受不到其影響。至于手機間的直接通信距離,依然維持理論上的無遮蔽下500公尺。每則表達的信息辨識長度,則確定為128位,不是64位。

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       圖3:3GPP R12標準中LTE Direct的技術提案調(diào)整。

       段標:LTE Direct與競爭技術

       LTE Direct技術首次讓LTE手機可以直接相互傳遞,中間不用透過LTE基站(僅初期需要),其實有一部分動機也在防范Wi-Fi Direct技術,Wi-Fi Direct技術是Wi-Fi聯(lián)盟于2010年提出并推行,今日多數(shù)手機均具備Wi-Fi通信功能,也多具備Wi-Fi Direct通信能力,2部手機可以透過Wi-Fi直接相互傳遞。

       LTE陣營希望手機用戶運用LTE技術直接相互傳遞,而不要使用Wi-Fi技術,因此2013年3月Qualcomm曾進行一項實測比較,在0.64秒內(nèi)LTE Direct可以偵測到通信覆蓋區(qū)內(nèi)7,200個裝置,但Wi-Fi Direct在第一種情境下,需耗費119秒方能偵測到369個裝置,即便換用另一個情境,可在82秒偵測到369個裝置,在耗用時間與偵測裝置數(shù)上,LTE Direct均優(yōu)于Wi-Fi Direct。

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       表1:2014年Qualcomm揭露的提出LTE Direct與Wi-Fi Direct實測比較。

       類似的,2015年2月的實測報告中,Wi-Fi Direct在鄉(xiāng)區(qū)環(huán)境下,裝置間直接通信的最遠距離約200公尺,城區(qū)無遮蔽下150公尺,城區(qū)有遮蔽下降至30公尺,LTE Direct的前述表現(xiàn)均優(yōu)于Wi-Fi Direct。

       不僅將Wi-Fi Direct視為潛在競爭,LTE Direct也與低功耗版藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE,或稱Bluetooth Smart)相比較,原因在于Apple于2013年底以Bluetooth 4.0為基礎提出iBeacon技術,iBeacon也屬鄰近感知性技術,部分應用有可能與LTE Direct相重疊,事實上Wi-Fi聯(lián)盟也在2015年初,以Wi-Fi Direct技術為基礎提出鄰近感知性技術Wi-Fi Aware,也同樣為LTE Direct的潛在競爭

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       表2:2015年OpenStreetMap的LTE Direct、Wi-Fi Direct探索距離比較。

       不過,LTE Direct的支持方認為,BLE(也稱BT-LE)約僅50公尺的傳輸距離,無法與LTE Direct的500公尺相比,另外更新鄰近信息的時間也太慢,LTE Direct保守估計僅75毫秒(理論值64毫秒),但BLE需要4,000毫秒(約4秒),LTE Direct也是居技術上風。

       段標:營運商對LTE Direct看法兩極

       LTE Direct能提供的潛在發(fā)揮想象應用相當多,對電信營運商而言是下一波潛在商機,過去電信商的主流大宗收入來自語音通話服務、文字簡訊服務,但逐漸已轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)(上網(wǎng))服務,甚至是類似Apple App Store或Google Play之類的數(shù)字內(nèi)容發(fā)行服務,如電子書城、在線節(jié)目收視等,更未來則寄望LTE Direct,如鄰近租借行李箱、鄰近的交友服務。

       不過,也有電信商對LTE Direct抱持保守看法,若有黑心交易,受害者怪罪到電信商,理由是電信商居中提供信息,是幫兇,求電信商也必須負擔部分責任,因而索賠,不僅沒因新應用服務增加營收,反而造成不必要的困擾。

       所以有的電信商無意導入LTE Direct,或初期只導入與金錢利益無關的服務,例如有人突然暈倒了,旁人立刻發(fā)訊呼救“ZZZ處有人暈倒了,附近有誰是醫(yī)生?懇請快來急救”。

       或者,電信商的LTE基站完全不提供居中信息傳遞,只提供LTE手機間的直接通信,例如在寵物身上綁一個LTE發(fā)訊器,或與小孩出游時,讓小孩配戴一部LTE手機,并與主人、家長的LTE手機保持直接聯(lián)系,一旦聯(lián)系距離過遠或斷訊就會發(fā)出警訊,提醒有可能寵物、孩童走失了。然而在此種應用需求下,LTE Direct與前述的BLE有高重疊性,終端消費者不見得非用LTE Direct技術不可。

       雖然有隱憂,但相信LTE Direct的試行服務、商業(yè)化服務最終必然到臨。至于哪一種服務會是殺手級應用 (Killer Application),率先引領LTE Direct服務普及,則有待進一步觀察了。

 



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