網路架構大概論5-802.11 與 802.11a

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802.11a

原始的802.11在市面上的產品相當少見,起因在於802.11原始規格提供許多可選的標準,使得產品之間的互通性以及相容性不佳,這狀況直到802.11b的出現才有改善。有一個小地方需要注意的是,802.11的無線網路規格發布的順序是a→b→g→n→ac,之所以有b比a先出來的錯覺,是因為b的產品的確比a較早出現,加上a完全不相容於b,所以a的存在感變得比較模糊。

在802.11a/b規格推出的1999年,Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)也隨之成立,主要是為了解決IEEE制定無線標準,卻不測試設備的缺點,避免消費者買了產品卻不相容,讓無線網路的推廣受到阻礙。

802.11a

802.11a相對於原始的802.11標準有相當大的改進,不但頻率使用較少干擾的5GHz,調變也改為OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交分頻多工),直接從1∼2Mbps的雞肋速率躍昇到54Mbps。802.11a除54Mbps之外,尚定義了48、36、24、18、12、9、6Mbps的速率,其中調變技術包含了64-QAM(54、48Mbps)、16-QAM(36、24Mbps)、QPSK(18、12Mbps)、BPSK(9、6Mbps)。

抵禦多重路徑

在無線訊號的傳遞裡,只在相當少數的情況下,發射端和接收端兩者之間可相互以直線連接,訊號可由發射端直接抵達接收端。其它大部分的情況下,訊號會在不同的介質或物體表面穿透、反射、折射、繞射過後,才會抵達接收端,形成所謂的「多重路徑」。多重路徑讓溝通的雙方雖然看不見彼此,也能進行通訊,卻也會造成一些問題。

由於訊號經過不同路徑抵達接收端,會造成時間上不同的延遲,接收端收到的訊號有極大的可能已與原始訊號不同。越高的傳輸速率,「同調頻寬」也就越小,越容易受到多重路徑干擾;所謂同調頻寬,是一個經由統計出來的數值,在此頻寬內能夠保證在傳輸通道中傳輸時的波形不會失真變形。

大家應該能夠想像,在密集的住宅區中,因為有著許多的物體,所以多重路徑干擾也會比較嚴重,同調頻寬較小;相反的在較大的公園中央,多重路徑干擾輕微,同調頻寬(coherence bandwidth)比較大。如果我們傳輸大於同調頻寬的訊號頻寬,接收端就會無法正確接收,此時降低傳輸速率及可對抗此現象。不過在無線傳輸中傳輸速率是很重要的一環,因此降低傳輸速率並不是個對抗多重路徑干擾的好辦法。

OFDM多重資料流

為了抵抗複雜環境下的多重路徑干擾,讓同調頻寬變小的問題,專家們想出了相當聰明的方法:「頻寬小就讓它小,我用多個小頻寬組合成1個大頻寬總可以吧!」OFDM就是這樣的概念,把原本1段大頻寬的訊號頻寬,切割成許多小頻寬進行傳輸;以802.11a為例,分成48個附載波進行傳輸,一下子把訊號頻寬降為1/48,就算同調頻寬變小也不怕。

切成48個附載波,難道就不怕各個頻率之間相互干擾嗎?OFDM的O及為正交的意思,那麼何謂頻率的正交?在通訊裡的正交,指的是2個不同訊號在1個符號周期裡完全不相關。請參考下列圖片,每個顏色線條代表1組訊號,由於物理以及製造限制的關係,沒有辦法發射出單一頻率的訊號,大多都會溢波到上下幾個周期,所以能量最強的頻率中心左右還是會有些訊號。

但仔細觀察過後即可發現,每個最強的訊號中心,剛好都沒有其它頻率的溢波訊號存在,所以能夠以相當接近的頻率同時發送訊號而不干擾,前提是精準選擇頻率間隔,以編碼速率作為2頻率間隔,使其各個訊號之間維持正交。

網路架構大概論5-802.11 與 802.11a

▲OFDM讓訊號之間維持正交,訊號之間便不會相互干擾

網路架構大概論5-802.11 與 802.11a

▲上圖為一般的分頻多工,由於需要guard band的關係,各個頻率沒有辦法得到相當好的運用。下圖是OFDM正交分頻多工,每組訊號的能量中心點正好沒有其它訊號,不需要guard band,同一頻寬下可塞入更多訊號

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▲一個採用矩型QAM的16-QAM星座圖

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