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真“芯”全接觸 高通驍龍820技術(shù)探究寶典

CNMO 【原創(chuàng)】 作者:馬俊杰,楊辰 2016-01-15 05:30
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新亮點(diǎn)——先進(jìn)的Wi-Fi技術(shù)與LTE/Wi-Fi融合

真“芯”全接觸 高通驍龍820技術(shù)探究寶典
驍龍X12 LTE調(diào)制解調(diào)器的新特性

  驍龍820采用了驍龍X12 LTE調(diào)制解調(diào)器,下行/上行鏈路分別支持載波聚合Cat.12/Cat.13,在4G LTE傳輸速度上實(shí)現(xiàn)了最高達(dá)到600Mbps的下行速度和最高達(dá)150Mbps的上行速度,除此以外,這顆調(diào)制解調(diào)器在Wi-Fi方面表現(xiàn)也不容忽視。

  驍龍820采用了兩項(xiàng)前沿的Wi-Fi技術(shù),一項(xiàng)是802.11ad,另一項(xiàng)則是802.11ac MU-MIMO,主要都是為了大幅提升目前Wi-Fi傳輸速度。Wi-Fi速度提升有助于進(jìn)一步提高家中各種智能終端(手機(jī)、智能電視、平板電腦等)間的數(shù)據(jù)交換速度,尤其是高分辨率或者RAW格式的照片,或者是4K視頻。而打造家中的娛樂影音數(shù)據(jù)中心,以NAS(網(wǎng)絡(luò)附屬存儲)為核心,Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),一家大小多款智能終端設(shè)備同時(shí)連接到NAS進(jìn)行上傳和下載的操作,Wi-Fi速度的提升就顯得尤其重要。因?yàn)镾SD(固態(tài)硬盤)的逐步普及,當(dāng)NAS的存儲介質(zhì)由HDD(機(jī)械硬盤)換成了SSD,并組建成RAID陣列之后,NAS端速度瓶頸就會減緩,速度瓶頸壓力就會落在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上。所以提升Wi-Fi傳輸速度迫在眉睫,勢在必行。

  要介紹驍龍820中的兩項(xiàng)Wi-Fi技術(shù),我們必須先了解Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的演變過程。IEEE 802.11是由電氣和電子工程師協(xié)會制定的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802.11并不是單一協(xié)議,而是一個(gè)協(xié)議簇,包括了很多協(xié)議。本文所提及的一些協(xié)議如下圖所示:

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IEEE 802.11協(xié)議簇(部分)

  根據(jù)百度百科的定義,ISM頻段是指那些開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用的頻段,屬于Free License,無需授權(quán)許可,只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W),并且不要對其它頻段造成干擾。目前在Wi-Fi領(lǐng)域,討論得最多的就是2.4GHz和5GHz,還有伴隨著802.11ad一起到來的,全新啟用的60GHz頻段。

  2.4GHz頻段為各國共同的ISM頻段,因此無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò),均可工作在2.4GHz頻段上。由于2.4GHz頻段公開使用的時(shí)間最長,在這個(gè)頻段工作的產(chǎn)品技術(shù)也最為成熟,同時(shí)因?yàn)?.4GHz相比其它常用的ISM頻段發(fā)射功率更低,耗電也更低,所以市面上有大量電子設(shè)備共同搶占2.4GHz頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,例如智能手機(jī)、平板電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙鍵盤、藍(lán)牙鼠標(biāo)、路由器等,更為可怕的是,大功率的電器微波爐也是工作在2.4GHz頻段上的,這也是為什么生活中經(jīng)常發(fā)生同一Wi-Fi環(huán)境中的設(shè)備互相搶奪數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸?shù)脑?,也是為什么微波爐開啟的時(shí)候,附近工作在2.4GHz的電子設(shè)備或多或少受到其干擾的原因。

  從上圖可以看出,伴隨著協(xié)議不斷迭代,無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度也不斷提升。另一方面,5GHz頻段在近年來逐步被無線協(xié)議提升到重要的地位,主要還是因?yàn)?.4GHz頻段的帶寬資源被搶占得差不多,同理,在12年底公布的IEEE 802.11ad協(xié)議中,更是首次提出把60GHz這個(gè)相對高頻的頻段也拿來使用,可見無線網(wǎng)絡(luò)帶寬資源是多么地?fù)屖?。新協(xié)議除了支持新加入的頻段,對舊協(xié)議的舊頻段也會進(jìn)行兼容,正如USB 3.0協(xié)議兼容USB 2.0及以前的版本。

  驍龍820處理器支持的802.11ac和802.11ad都是最新的協(xié)議,傳輸速度也較高,究竟有什么“黑科技”讓這兩項(xiàng)協(xié)議能夠達(dá)到如此高的傳輸速度呢?當(dāng)然,選擇了5GHz和60GHz更高發(fā)射頻率來傳輸數(shù)據(jù),來避開“塞車”嚴(yán)重的2.4GHz是其中一項(xiàng)“黑科技”。

  要搞清楚Qualcomm的黑科技,我們先來探究一下,究竟有哪些因素能夠增加Wi-Fi傳輸速度。請看下圖:

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決定傳輸速度的四要素

  Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸速度簡單來說取決于四個(gè)方面:帶寬、協(xié)議、MIMO空間流、工作頻段。為了方便各位讀者理解,小編打個(gè)比方,將上述四項(xiàng)指標(biāo)比喻為“決定汽車行駛在公路上的速度”的四個(gè)因素。我們逐個(gè)因素來看一下。

  工作頻段,也就是不同的高速公路。這也是為什么Qualcomm需要選擇更高的發(fā)射功率傳輸無線信號的主要原因。與其大家都擠在同一條高速公路上比拼車技,不如抽身離開,選擇在另一條高速公路上暢游神州大地。當(dāng)然,科學(xué)家也不是傻子,采用這種方式很明顯是有副作用,不然也不會在近幾年才開始啟用5GHz和60GHz兩個(gè)新頻段。這一點(diǎn)下文會提到并解釋原因。

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頻段(不同高速公路)

  帶寬,也就是每一條高速公路(信道)的寬度,和一般的高速公路只有兩條寬度相等的往返車道(信道)不同,無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬,以2.4GHz頻段為例,擁有13條大小不一的信道,每條信道的寬度是不相同的,數(shù)據(jù)在更寬的信道上傳輸,能夠獲得更高的帶寬。

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帶寬(道路寬度)

  MIMO空間流,等同于單向行駛的公路(信道)上擁有多少條車道,注意,這個(gè)參數(shù)只有在頻段比較空閑、帶寬比較大的情況下才有意義,如果本身就處于一條經(jīng)常塞車而且狹窄的高速公路上,還劃分那么多條車道干什么?正因?yàn)檫@個(gè)原因,MIMO空間流概念直到802.11n開始才被引入到協(xié)議中。下文會詳細(xì)介紹MIMO的定義。

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MIMO空間流(多車道)

  協(xié)議,可以粗略地看作是汽車,只有把上述幾項(xiàng)指標(biāo)都做得不錯(cuò),然后才能夠從根本上發(fā)揮出協(xié)議本身最大潛力,也就是汽車的最高速度。所以說,協(xié)議(汽車)是整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程中最重要的一環(huán),他和前面的幾項(xiàng)參數(shù)掛靠在一起,同時(shí)也是最終傳輸速度的集中表現(xiàn)。

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協(xié)議(汽車)

  接下來,我們對比一下802.11n、802.11ac、802.11ad三種版本的傳輸協(xié)議之間的區(qū)別。

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三種版本的傳輸協(xié)議之間的區(qū)別

  和讀者普及了影響傳輸速度的四項(xiàng)重要指標(biāo)之后,從今開始提及傳輸速度的時(shí)候不能夠再單純地說該協(xié)議的最大傳輸速度為300Mbps,而是需要在該協(xié)議的前面加上MIMO通道數(shù)、工作頻段和帶寬三項(xiàng)參數(shù)來限定,如上圖所示,IEEE 802.11n得到的最大300Mbps傳輸速度,其實(shí)是在2.4GHz頻段,帶寬為40MHz,MIMO空間流為2的時(shí)候測量到的。當(dāng)然,實(shí)際傳輸速度會有所下降,這也是無線網(wǎng)絡(luò)相比有線網(wǎng)絡(luò)不同的地方,不過該部分內(nèi)容超出了本文范疇,暫不延展開去。

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不同帶寬、不同MIMO通道數(shù)、不同協(xié)議之間傳輸速度是不同的

  Qualcomm這次在驍龍820引入的兩項(xiàng)傳輸協(xié)議作用可是不相同的,802.11ac主要用于“中短距離無線通信”,用于優(yōu)化普通的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸效果,接替昔日的802.11n,而802.11ad則是“面向家庭娛樂設(shè)備”的全新技術(shù),主要用于短距離傳輸,將大容量的高清音頻和視頻文件通過快速的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

  接下來我們介紹一下上文提及的自802.11n開始引入的MIMO技術(shù),在802.11n協(xié)議版本中,我們看到的是相對基礎(chǔ)的SU-MIMO,而在802.11ac協(xié)議版本中,我們看到的是進(jìn)一步提升了帶寬利用率的MU-MIMO。

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現(xiàn)場提供了原型機(jī)讓我們測試Wi-Fi傳輸速度

  根據(jù)百度百科的資料:MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多根發(fā)射天線和接收天線,使信號通過發(fā)射端與接收端的多根天線傳送和接收,從而改善通信質(zhì)量。這就解釋了市面上為什么那么多自稱“傳輸速度快到?jīng)]朋友”的路由器全部都長得像“天線寶寶”的樣子,三天線、四天線、八天線的路由器層出不窮。

  MIMO能充分利用空間資源,通過多根天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收,在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下,可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量,顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。通過多鏈路同時(shí)傳輸?shù)姆绞?,提升路由器與客戶端設(shè)備(筆記本、手機(jī)、平板等)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊速率。

  SU-MIMO(單用戶多進(jìn)多出)技術(shù),同一時(shí)間和同一頻段內(nèi),路由器只能夠與一個(gè)客戶端設(shè)備通信。即使客戶端設(shè)備不能完全占用路由器的無線帶寬,路由器也無法將剩余帶寬分配給其它設(shè)備使用,造成白白浪費(fèi)。

  MU-MIMO(多用戶多重輸入多重輸出)技術(shù),主要是用于提升802.11ac網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的技術(shù)。在SU-MIMO基礎(chǔ)上添加了多用戶同時(shí)通信機(jī)制,讓閑置的無線帶寬也能夠利用起來。MU-MIMO技術(shù)無須客戶端設(shè)備提供技術(shù)支持,只要路由器本身支持這項(xiàng)技術(shù)即可。

  由于Qualcomm驍龍820指出采用了802.11ac的MU-MIMO技術(shù),接下來我們通過圖片形式更好地理解這項(xiàng)技術(shù)。我們先通過下圖解釋一些相關(guān)的基本術(shù)語。

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半雙工工作模式

  AP可以簡單理解為無線接入點(diǎn)、熱點(diǎn),也就是路由器或者手機(jī)共享出來的流量卡。一般來說,數(shù)據(jù)傳輸需要有接收端和發(fā)送端,接收端假設(shè)為筆記本電腦,發(fā)送端用AP表示,如上圖所示,AP擁有多條天線,而這些天線都是半雙工的天線,換句話說就是既能做發(fā)送信號所用,也能做接收信號所用。當(dāng)然,也存在著部分路由器的部分天線只能夠單向使用的情況。筆記本電腦內(nèi)置無線網(wǎng)卡,隨著近年來的設(shè)備更新,也開始出現(xiàn)多條天線的情況,同樣地,這些天線類似AP那些天線,采用半雙工的工作模式。

  我們來解釋一下半雙工。如果只能夠單向傳輸?shù)男诺?,我們稱為單工,雙向都能夠傳輸?shù)男诺?,我們稱為雙工。雙工又分為全雙工和半雙工兩種模式,前者和后者最主要的區(qū)別在于,半雙工只能夠在同一時(shí)間,出現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間要么就是A發(fā)送給B,要么就是B發(fā)送給A的情況,并不能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工那種A和B之間同一時(shí)間既是接收端又是發(fā)送端。這主要和無線網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)機(jī)制等特性相關(guān),注定了不能夠像有線網(wǎng)絡(luò)那樣采用全雙工的工作模式。當(dāng)然,不同時(shí)間,信道就能夠雙向復(fù)用。注意,天線的多少和信道的數(shù)量并不是一對一的關(guān)系,不要看到路由器上有四根天線,就以為AP和筆記本之間存在著4條信道。

  接下來我們引入更復(fù)雜的情況,在無線網(wǎng)絡(luò)中存在著兩個(gè)客戶端設(shè)備(筆記本電腦和智能手機(jī)),同時(shí)和AP(路由器)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如下圖所示:

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進(jìn)一步解釋MU-MIMO

  最上面的兩幅圖直觀地描述了SU-MIMO和MU-MIMO的主要區(qū)別,如果看不明白請跟隨著小編的腳步看看后面的5幅小圖。

  (a)這是只有一個(gè)客戶端和AP進(jìn)行通訊的情況,這個(gè)時(shí)候,智能手機(jī)和AP之間沒有數(shù)據(jù)傳輸

  (b)在(a)的基礎(chǔ)上,智能手機(jī)開始和AP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,AP是能夠同時(shí)處理兩個(gè)客戶端發(fā)出的請求的,前面兩幅圖傳輸效率比較低,主要是因?yàn)橥粫r(shí)間,只有一條信道在工作,這在802.11n協(xié)議誕生之前比較常見

  (c)在802.11n誕生后,引入了MIMO的新技術(shù),同一時(shí)間,能夠通過多條信道同時(shí)傳輸客戶端和AP之間的數(shù)據(jù),這就好比雙核和四核處理器對系統(tǒng)性能帶來的提升一樣,Wi-Fi領(lǐng)域也引入了多任務(wù)并行的概念。

  (d)而Qualcomm在驍龍820中使用的802.11ac MU-MIMO技術(shù),則更進(jìn)一步,能夠靈活調(diào)動多個(gè)客戶端的信道,將低負(fù)載的客戶端閑置信道調(diào)動給高負(fù)載的客戶端,減少信道資源的浪費(fèi),也提高了高負(fù)載客戶端的數(shù)據(jù)傳輸效率。如圖所示,AP將連接到筆記本電腦一端的閑置信道調(diào)配到連接在智能手機(jī)的一端,提高智能手機(jī)那端的執(zhí)行效率同時(shí),也避免了筆記本電腦那端的信道閑置。

  (e)這就是如果沒有MU-MIMO技術(shù),筆記本電腦和智能手機(jī)的信道都得不到最佳的資源分配,筆記本電腦和AP之間存在部分空閑信道,智能手機(jī)和AP之間只有一條信道能夠利用,工作效率大打折扣。

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MU-MIMO和802.11ad兩項(xiàng)法寶

  除了802.11ac的MU-MIMO,Qualcomm驍龍820中還存在著另一項(xiàng)殺手锏,802.11ad。

  802.11ac主要采用5GHz的空閑頻段,兼容2.4GHz的頻段。而802.11ad繼續(xù)采用類似的思路,開辟了全新的60GHz的空閑頻段,避免和使用2.4GHz或者5GHz頻段的大量電子設(shè)備競爭帶寬。主要用于實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部無線高清音視頻信號的傳輸。Qualcomm宣傳802.11ad支持多千兆比特連接,完美適用于4K視頻串流、點(diǎn)對點(diǎn)大型文件共享、媒體查詢終端使用,無線擴(kuò)展基座以及硬盤備份等應(yīng)用。

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MU-MIMO和802.11ad兩項(xiàng)技術(shù)的傳輸速度提升明顯

  這里和大家普及一下無線電知識,2.4GHz、5GHz、60GHz三個(gè)頻段的穿墻能力和最遠(yuǎn)傳輸距離是遞減的,這也是前文為什么說IEEE協(xié)會等到近幾年才啟用這些高頻段的原因,換句話說,如果是為了增加信號穿墻的效果而購買路由器,5GHz的那些路由器未必比2.4GHz的路由器更值得買。主要是因?yàn)殡S著頻率越高,載波的繞射(衍射)能力越低,在空氣中衰減也越快,所以這幾年新上市5GHz的路由器經(jīng)常被吐槽說穿墻能力還不如以前的2.4GHz路由器,這是正常的,同理,未來如果有60GHz路由器上市,穿墻效果肯定更差。問題來了,既然穿墻效果差了和信號衰減厲害了,為什么還要力推5GHz和60GHz兩個(gè)新頻段呢?主要還是因?yàn)殡娮釉O(shè)備“打架”的老問題,2.4GHz頻段已經(jīng)有太多的電子設(shè)備在搶奪Wi-Fi資源,業(yè)界必須把部分電子設(shè)備引流到其它頻段,5GHz和60GHz就是在這種背景下誕生的。雖然穿墻能力差,信號衰減快,但是近距離傳輸優(yōu)勢明顯,能夠提供更快的傳輸速度,同時(shí)也能夠避開2.4GHz頻段設(shè)備間“塞車”問題。這也是60GHz頻段被下一代802.11ad無線標(biāo)準(zhǔn)看中的原因。

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LTE-U技術(shù)

  LTE-U命名和LTE-A很類似,其實(shí)大不相同。LTE-A全稱是Long Term Evolution-Advanced,俗稱4G網(wǎng)絡(luò),通過載波聚合、上下行多天線增強(qiáng)、多點(diǎn)協(xié)作傳輸、中繼等關(guān)鍵技術(shù),大大提高無線通信系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)速率等指標(biāo)。而LTE-U則是跨界的產(chǎn)品,不再局限于蜂窩數(shù)據(jù)領(lǐng)域,而是和Wi-Fi聚合在一起。LTE-U(LTE-unlicensed)則是由Qualcomm牽頭的一項(xiàng)全新技術(shù),簡單來說就是在Wi-Fi頻段上部署LTE,將網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商沒有利用起來的閑置頻段全部集合在一起,統(tǒng)一調(diào)配,大大提高帶寬利用率。這一點(diǎn)也讓我國三大運(yùn)營商頗感興趣,Qualcomm在未來也將公布這項(xiàng)技術(shù)的更多細(xì)節(jié)和具體實(shí)現(xiàn)方式。

  除此以外,驍龍820所采用的全新Wi-Fi技術(shù)還能夠降低Wi-Fi熱點(diǎn)的功耗,對于經(jīng)常喜歡share上網(wǎng)卡流量給別人用的“活雷鋒”,再也不用擔(dān)心電量會比流量先耗光的情況出現(xiàn)了。

  眾所周知,早在三星S5上就已經(jīng)出現(xiàn)過LTE/Wi-Fi協(xié)同工作的例子,當(dāng)時(shí)所搭載的處理器為驍龍801,支持一項(xiàng)名為“下載加速器”的功能。一直以來,我們只能夠在蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(僅限4G網(wǎng)絡(luò))和WLAN網(wǎng)絡(luò)之中二選一,為我們提供下載。為什么我們那么喜歡BT下載支持多任務(wù)功能,不僅支持多個(gè)任務(wù)同時(shí)下載,而且還支持亂序下載,主要還是因?yàn)檫@種下載方式十分人性化,告別了以前單任務(wù)單線程的下載方式,試想一下,如果只有單任務(wù),我們必須等以GB為單位計(jì)算的愛情片A完全下載完畢之后,才能夠開始下載動作片B,世事往往不是一帆風(fēng)順的,當(dāng)你愿意耗費(fèi)2個(gè)小時(shí)去等待下載這部愛情片,可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差、其它人下載完之后停止造種、甚至資源被重定向和轉(zhuǎn)移,最終讓我們要花更多時(shí)間去等待下載。

  支持多任務(wù)同時(shí)進(jìn)行的BT下載出現(xiàn)之后,我們能夠同時(shí)將愛情片A、動作片B、懸疑片C等影片同時(shí)添加到下載列表,而且BT下載特性允許亂序執(zhí)行,當(dāng)A資源下載速度變得緩慢,BT下載管理算法就會將帶寬多撥給B資源,因?yàn)榇藭r(shí)B資源擁有更多的人流在下載,根據(jù)BT下載特性,越多人下載資源加速下載效果越明顯,所以將帶寬資源重新合理地分配。

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三星S5上出現(xiàn)的“下載推進(jìn)器”

  類似地,三星S5上的“下載管理器”功能也類似,允許4G網(wǎng)絡(luò)為WLAN加速,舉個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦樱?dāng)你使用WLAN下載某個(gè)文件上半部分的時(shí)候,4G網(wǎng)絡(luò)可能正在幫你將該文件下半部分一并下載,分段同步下載節(jié)省下載時(shí)間。

  而驍龍820上提出了另一個(gè)LTE/Wi-Fi協(xié)同工作的例子,“高通驍龍X12 LTE調(diào)制解調(diào)器”能夠在LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間智能選擇下載方式,為用戶帶來無縫切換的下載體驗(yàn)。如今很多大媽和大叔都很懂得在公共場所利用360無線Wi-Fi,榮耀WLAN(與運(yùn)營商合作),小米Wi-Fi(與邁外迪合作)等免費(fèi)資源,但是他們往往忽略了信息安全問題,即使沒有釣魚服務(wù)器和黑客入侵,連上了一臺需要密碼的服務(wù)器,或者連上了一臺比4G網(wǎng)絡(luò)還要慢的服務(wù)器,不如直接連蜂窩數(shù)據(jù)算了,免得得不償失。以前我們的基帶芯片很不智能,需要我們手動選擇什么時(shí)候開啟蜂窩數(shù)據(jù),什么時(shí)候開啟WLAN網(wǎng)絡(luò)。驍龍820上的“高通驍龍X12 LTE調(diào)制解調(diào)器”能夠幫我們更好地判斷什么時(shí)候該連4G網(wǎng)絡(luò),什么時(shí)候該連WLAN網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)大媽和大叔的手機(jī)和平板接入公共場合時(shí)候,這顆全新的基帶就會開始判斷究竟附近的WLAN網(wǎng)絡(luò)是否真的可用?如果不可用,或者需要輸入密碼,或者不安全,或者網(wǎng)絡(luò)帶寬不足,或者網(wǎng)速很慢,系統(tǒng)會自動切換到綜合條件更好的WLAN網(wǎng)絡(luò),或者直接開啟蜂窩數(shù)據(jù),整個(gè)過程用戶無須考慮應(yīng)該選擇哪種網(wǎng)絡(luò)或者哪個(gè)服務(wù)器進(jìn)行連接。

  綜上所述,國內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)開始下降之后,更多的LTE/Wi-Fi協(xié)同工作的功能也會出現(xiàn),而消費(fèi)者只需要關(guān)心用戶體驗(yàn)好不好,能夠?yàn)g覽和下載到自己需要的網(wǎng)絡(luò)信息即可,至于用哪些方式實(shí)現(xiàn),Qualcomm已經(jīng)為消費(fèi)者想好了。


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