3 倍速!802.11ac 來襲:標配與選配頻寬,應用技術全面剖析

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使用更多的空間流

目前消費市場上,最為高階的802.11n產品具有3T3R(3支天線發射、3支天線接收),以1支天線配上40MHz頻寬來計算,1支天線速率為150Mbps、3支就是450Mbps。雖說802.11n有制定4T4R的規格,但是你應該找不到這種產品。802.11ac為加快速度,一次就制定了最高8T8R的天線收發模式,以1支天線與80MHz頻寬計算,速度為433Mbps,最高8支天線的總計傳輸速度高達3466Mbps,但8組天線不會向同個裝置收發資料,最多4組天線向1組裝置收發,單一裝置的最高速為1732 Mbps仍相當驚人。目前在消費市場上很少見到此類需要極大頻寬的應用,802.11ac導入更多的天線,對於一般人的意義在於MU-MIMO(Multiple User-Multiple Input Multiple Output,多使用者多天線收發)的技術導入。

同時多人傳輸MU-MIMO

欲了解MU-MIMO,我們首先就要來談一下 802.11n之前的無線收發原理,因為電磁波有著向四周逸散的特性,通常1個頻率區段同時間僅能容許1組接收端和發收端的存在,並使用半雙工的方式相互溝通。同個無線存取點能夠服務眾多的用戶端裝置,是因為大家使用1套競爭公式存取頻譜資源,或是大家輪流使用;若將時間微分來看,其實還是只有1組發送或接收端(時間多工)。

802.11ac導入最多8支天線,其實並不是為了擠出更多空間串流資源給單一裝置取用,而且現今行動裝置的體積尚不足以塞入較多的天線,耗電量也將隨之上升。多天線的配置主要還是在無線存取點上可看見,藉由多組天線同時向多組裝置發送或接收,便跳脫以往僅能服務1組發送/接收端的問題。就目前制訂的標準來看,每個AP最多可向4個行動裝置同時收發資訊,而每個行動裝置最多可使用AP的4支天線,也就是每個AP作多可同時收發2~4個裝置。

不過好事多磨,目前市面上已經推出的802.11ac draft版產品,可惜皆不支援MU-MIMO功能,同樣也是預計今年所推出的第二代802.11ac產品才會支援。

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802.11ac導入MU-MIMO功能,在同一時間AP能夠服務多達2~4個裝置。

內建Beamforming技術

讀者可能在部分802.11n的產品上見到Beamformimg字樣,或是所謂的訊號集中傳輸,打得更遠、飆得更快之類的字眼,但其背後的技術原理皆為Beamforming(波束成形)。Beamforming的原理為利用擺放在空間中的多支天線,調整其相位以及振幅,以便在部分空間中的訊號能夠獲得相位相同、振幅相加、訊號變強的效果;而部分空間產生相位相反、振幅相減、訊號變弱。

此功能在802.11n標準當中列為選配,因此並不是每款產品皆可支援Beamforming,支援的產品也有可能因為實作的方式不同,造成Beamforming的效果不佳。

802.11ac將Beamforming納入標準之中,並且將802.11n標準中選配的多種Beamforming格式,簡化集中到NDP Sounding技術身上,以求各家廠商的相容性。此外Beamforming也是推動MU-MIMO的重要技術之一,如果現在A、B兩者皆和AP同時進行傳輸,便可利用Beamforming技術,將A附近的B訊號抵銷掉、B附近的A訊號抵銷掉,A/B兩者便可直接和AP傳輸,不需要擔心訊號混在一起無法辨識的問題。

 

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Beamforming示意圖,就由改變不同天線的相位和振幅差異,能夠精確的將訊號加強傳到對方。

Wave 1?Wave 2?

讀者或許在部分802.11ac報導裡可看見Wave 1或是Wave 2字樣,主要是以產品的速度與功能作區別。目前市面上的802.11ac產品全部都是Wave 1,主要在提供比過去802.11n更高的傳輸速度,頻寬僅使用80MHz;Wave 2產品指的就是未來即將推出支援160MHz頻寬和MU-MIMO的產品,如華碩今年在CES上公布的RT-AC87U,傳說將使用Quantenna晶片。

超高速有線網路尚不普及

無論無線網路多麼快速,其傳輸距離一定有限(前提為發射功率在合法範圍之內),因此絕大部分的公司行號,或甚至是家庭個人,先使用有線網路佈線至大範圍空間後,再接上1台無線路由器或是無線AP將有線網路資源轉為無線。

如今市面上802.11ac產品的理論速率已達1300Mbps,實際測量單向傳輸速度可衝破800Mbps沒有問題,已經逼近目前常用的GbE級有線網路,今年將會出現更快的4T4R產品,幾乎可以確定有線網路將成為無線網路的瓶頸。可惜目前在消費端似乎還沒有看到廠商有所動作,推出10GbE的產品,就連支援Link Aggregation的家用路由器或是交換器也寥寥可數,就算釋出8T8R的無線路由器或無線AP,大概也是看得到(連結速度)吃不到(實際傳輸速度)。那對於一般人消費者來說,802.11ac究竟有何意義?

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有線網路從GbE躍升至10GbE是個很大的門檻,線材部分同時具有多種標準,但還是雙絞線適合預算有限的消費市場。

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雙網路埠合併也是種增加頻寬的方式,但合併模式眾多、設定複雜,不見得能夠提升速度,同時也需要軟硬體配合。

跳脫2.4GHz牽絆

讓我們把時空拉回802.11a/b的時代,當時802.11a因為採用5GHz的關係,製造成本上比起802.11b略高,後繼者802.11g繼續採用2.4GHz,造成802.11a需要的5GHz被冷落。且依廠商製造成本和消費者接受度來說,802.11a和802.11g皆可達到54Mbps的速率,2.4GHz的傳輸距離也較遠,在5GHz並不比2.4GHz擁有太多的技術優勢下,比較便宜的2.4GHz逐漸成為主流(請注意當時Wi-Fi技術並不如現今普及、因此頻道壅擠程度並不嚴重)。

直到802.11n產品問世,為了在盡量降低成本的前提下相容前代標準,因此2.4GHz頻段受到絕大部分的802.11n產品採用。但是因為802.11n導入了40MHz使用頻寬,無線產品的售價也下跌到絕大部分民眾皆可輕鬆負擔的程度,在這雙重打擊之下2.4GHz僅有的小小頻寬終於被撐爆了。

因此802.11ac完全拋棄2.4GHz,僅能在5GHz頻段運作,可惜對於一般消費者來說,並不見得真的了解2.4GHz的頻段與5GHz的頻段有何不同,更別說其中訊號傳輸的原理差異。當無知的消費者購買了802.11ac產品,就代表一定具有5GHz頻段的傳輸能力,不像過往802.11n產品還會分為2.4GHz和5GHz版本。因此對於使用者來說,傳輸頻率從目前擁擠的2.4GHz轉換成5GHz,絕對會感受到速度比較快。

5GHz頻率功率關係式

依據NCC「低功率射頻電機技術規範」中4.7節的說明,5.25GHz~5.35GHz峰值發射功率不得超過50mW、5.470GHz~5.725GHz峰值發射功率不得超過250mW、5.725GHz~5.825GHz峰值發射功率不得超過1W,此外若使用超過6dBi的天線,則發射功率須再降低。

 

本文同步刊載於電腦王雜誌
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R.F.
作者

誤入叢林的小白兔,每天爬樓梯到七樓的白癡,幻想自己很瘦的豬,一放假就睡死的bed potato。

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