1024 QAM

802.11ax 導入1024 QAM 調變,這部分已經有部分的廠商先行在 802.11ac 晶片當中加入,譬如 Broadcom 支援 NitroQAM 的 BCM4366。802.11ax MCS 部分則是導入 10 與 11,各自分別代表 1024QAM 調變、編碼速率 3/4,以及 1024QAM 調變、編碼速率 5/6。

網路架構大概論7-802.11ax/Wi-Fi 6 規格看過來,不只高速傳輸,更注重有效率使用
▲1024QAM 提升傳輸速度的同時,也對訊號品質有更高的要求,SNR 約需提升 6dB。

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▲802.11ax 單空間流規格速度比較表,雙空間流乘上 2 倍、3 空間流乘上 3 倍......以此類推。

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▲Cisco IEEE 802.11ax: The SixthGeneration of Wi-Fi 技術白皮書裡嘗試使用 Ekahau 軟體,推算 1024QAM(MCS 10~11)與 256QAM(MCS 8~9)的使用距離,圖中橘色小圓圈即為 AP 存取點。 

OFDMA

OFDMA(正交分頻多工存取)技術與先前 802.11a 導入的 OFDM(正交分頻多工)背後採行原理相同,均是利用多個子載波相互正交,減少傳輸時的干擾。OFDMA 多出來的 A 為 Access,讓這些子載波可以分為多組,各組服務 1 個終端裝置,也就是將傳輸時占用的 20/40/80/80+80/160MHz,再往下拆分數個 MHz 頻段同時分別服務不同的終端裝置,此技術已應用於目前的 LTE 行動網路之中。

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▲OFDMA 相較 OFDM 新增分頻多工(不同顏色表示不同 STA 終端裝置的傳輸數據)。

另外還有個一體兩面的改進,802.11ax 快速傅立葉轉換(FFT)數量從 802.11a/g/n/ac 的 20MHz/64 個(802.11a/g:4 個pilot、48 個資料、1 個中央 DC、前 6 後 5 保護; 802.11n/ac:4 個pilot、52 個資料、1 個中央 DC、前 4 後 3 保護),變成 4 倍 256 個(數量等同頻寬翻倍,如 40MHz/512 個、80MHz/1024 個……等),也因此縮減了子載波之間的間隔距離,從 312.5kHz 變為 78.125kHz。(子載波越多、可乘載資料量越多,傳輸時卻也越容易相互干擾)

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▲802.11ax 的子載波間距縮小 4 倍,因而在使用同樣的頻寬之下,子載波數量提升 4 倍。

快速傅立葉轉換數量與子載波增加,有助於 OFDMA 多裝置多工效果,每個裝置最少可分配到的子載波數量為 26 個,20MHz 最多可分給 9 個終端裝置同時使用。802.11ax 將可分予單一裝置使用的子載波數量稱之為 1 個資源單位 Resource Unit,尚有 52、106、242、484、996、1992 個子載波等組合方式,其中 MU-MIMO 最小要求 106 個子載波、1024QAM 最小要求 242 個子載波。

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▲802.11ax 新增 RU 資源單位概念,20MHz 最多可容量 9 個使用者,106 個子載波為能夠使用 MU-MIMO 的最小單位,242 個子載波則為使用 1024QAM 的最小 RU 單位。(深紅色表示空載波不使用,點圖放大)

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▲各頻譜頻寬與可容納 RU 類型數量對照表。

與傳統分時多工相比,分頻多工也有降低傳輸延遲的效果。配合上傳 MU-MIMO 一同使用時,AP 可發出 1 個觸發框架,標示空間流數量、RU 大小、功率控制、傳輸起始與結束等資訊,接著讓各個終端裝置同時進行上傳作業。至於終端連線裝置需要多少的 RU 資源,可以透過 Operating Mode Indication,向 AP 告知下載與上傳欲使用的空間流數量或是頻寬,多空間流與寬頻可以獲得更高的傳輸速率,減少空間流窄頻則能夠減少運作時所消耗的能量,進而提升終端裝置電池續航力。

符元、保護區間、循環式前綴拉長

為了因應戶外距離拉長,增加各方傳輸訊號延遲,造成隱藏節點空中交通打結的現象,802.11ac 將保護區間拉長為 2 倍,由 400/800ns 變更為 800/1600ns,還額外提供 4 倍 3200ns 專攻戶外或是大範圍密集佈建區域,用來抵禦多重路徑造成符元間干擾(Inter-Symbol Interference、ISI)。

不過若是單單拉長保護區間,那麼單位時間內可供傳輸的符元持續時間相對比例就會下降,因此 802.11ax 的符元持續時間除了過去 3200ns,新增 6400ns、12800ns 兩種。用來抵禦通道間干擾(ICI、Inter-Channel Interference)的循環式前綴(Cyclic Prefix)同樣提高了 4 倍,只不過太高的 Cyclic Prefix 會導致淨傳輸量下滑,因此在室內使用時會選擇使用較低的 Cyclic Prefix。

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▲為抵禦訊號傳輸時的多重路徑導致符元間干擾,因而導入保護區間(Guard Interval),而又為了避免空白保護區間破壞正交性導致通道間干擾,於保護區間填入符元尾段資料。

 

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