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技術論壇

無線網路新趨勢–漫談 802.11ac 新協定
  • 卷期:v0024
  • 出版日期:2013-03-20

作者:游子興 / 臺灣大學計算機及資訊網路中心網路組幹事


近年來手持設備蓬勃發展,無線網路之技術也隨著與時並進。與無線網路的相關的新聞中,曝光率最高的就屬 IEEE 802.11ac 協定。由於它是第一個超過1 Gbps傳輸速率的無線網路協定,因此備受矚目。根據報導,802.11ac將對現有市場造成衝擊,並且將在2015年將超過10億個IC之出貨量。本篇文章將介紹 802.11ac 之發展現況,並探討它的技術特性。

 

前言

802.11ac是一個由 IEEE(電機電子工程師學會)所制訂的802.11無線網路通訊標準。第一個草案(Draft 1.0)發表於2011年11月,目前已發佈 Draft 5.0,預計在 2013年底或2014年初才會發佈正式版本。

 

雖然正式版本尚未發佈,但近期的無線網路相關產品資訊,卻已有許多與 802.11ac 相關的產品與報導出現,我們就來瞭解一下這個最新的無線網路協定。

 

802.11ac提供下列的技術來提升網路頻寬與更好的使用者體驗:

1.支援更寬的頻寬(RF Bandwidth): 最高160 MHz(802.11n上限是 40 MHz)
2.支援最多 8空間串流(MIMO Spatial Streams)(802.11n僅支援4個)
3.多使用者的 MIMO (Multi-user MIMO) (802.11n 無此功能)
4.傳送波束成型正式納入標準(Beam forming) (802.11n 非標準功能)
5.支援高密度的解調變(Modulation): 256 QAM (802.11n 最高 64-QAM)

 

1. 支援更寬的頻寬(RF Bandwidth): 最高160 MHz

802.11ac Draft預計使用5 GHz RF頻帶(4.9 ~ 6.0 GHz),主要原因在於802.11ac有較寬的頻寬(RF Bandwidth)需求。

 

以美國地區為例, 2.4GHz 能用的範圍僅有2.4~ 2.462 GHz, 以5MHz 區分一個 Channel,共有 11 個Channels 如下:

 

Channel

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Frequency
(MHz)

2412

2417

2422

2427

2432

2437

2442

2447

2452

2457

2462

 

雖然有 11個Channels可用,若以 802.11b 為例,所需頻寬RF Bandwidth: 22MHz,因此僅有三個不會互相干擾之 Channel 存在。


(圖片來源:http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels)

 

這也就是一般在無線網路建置中,在一個空間中,若無線 AP 僅支援 2.4GHz 802.11 b/g/n,則建議最多佈建三台,且三台 AP 各設定使用 Channel 1/6/11,才能有互不干擾之最佳效果。除了無線網路使用於 2.4 GHz頻帶,藍芽、家用無線電話都在使用,甚至連微波爐都可能會在這個頻帶內。而5GHz在美國地區能用的範圍有 5.180~5.850GHz,以5MHz 區分一個 Channel,可用的 Channels 有 36~165,因此才能容納 802.11ac 最高 160 MHz 之頻寬要求。但5GHz也不是完全沒有缺點,因為頻率越高,波長越短,繞射(diffraction)程度越低,也就是遇到障礙不容易繞過,因此在相同功率上之有效傳輸距離會較 2.4GHz 來的短。

 

802.11ac 所需160 MHz 之頻寬可利用通道集成技術 (Channel Bonding)來達成,也就是可使用連續Contiguous 80+80 MHz 或非連續 Discontinuous 80+80 MHz,使總頻寬達到160 MHz。下表為在單一空間流使用不同頻寬 (Bandwidth) 在 802.11n 與 802.11ac 之理論傳輸速率:

Protocol

Bandwidth
(MHz)

Data rate per stream
(Mbps)

802.11n
(64-QAM)

20

72.2

40

150

802.11ac
(256-QAM)

20

87.6

40

200

80

433.3

160

866

 

 

2. 支援最多 8空間流(MIMO Spatial Streams)

MIMO 是 Multi-input Multi-output 之縮寫,可用此法表示:
T x R:S
發射天線數量 x 接收天線數量:空間流數

 

例如:3x3:3 MIMO
表示有三個發射天線與三個接收天線,共提供三個空間流(Spatial Streams)。

 

在企業方案所提供之無線解決方案,也會看到如 MIMO: 4x4:3,表示有四個發射天線與四個接收天線,卻僅提供三個空間流數量,其優點在於使用N+1 的冗餘收發器,可針對信號衰減和硬體故障提供有效保護,使三個空間流之性能和覆蓋範圍更大且更穩定。

 

802.11n 40 MHz Bandwidth (64-QAM),使用多個空間流之理論傳輸速率:

空間流
Spatial Streams

1

2

3

4

傳輸速率Mbps

150

300

450

600

 

802.11ac 40 MHz Bandwidth (256-QAM),使用多個空間流之理論傳輸速率:

空間流
Spatial Streams

1

2

3

4

5

6

7

8

傳輸速率Mbps

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


 

3.多使用者的 MIMO (Multi-user MIMO)

Multi-user MIMO 是一種新的技術,其優點在於多個終端設備同時連上 AP 時,每個裝置可獨立使用不同的空間流(Spatial Streams)傳輸資料,進而減少競爭,此種技術又稱為 SDMA (Space Division Multiple Access)。

 

例如一個無線 AP 使用 4 x 4: 4 Mu-MiMo可對2個連上的終端設備同時單獨進行通訊。而現行的 802.11n MiMo裝置只能在同一時間服務一個終端設備之多重天線,無線 AP必須以時間多工服務多個終端設備。

 

4.傳送波束成型(Beam forming) 正式納入標準

Beam forming (波束成型)技術已經正式納入 802.11ac 之標準,雖然在 802.11n 已有多家廠商提供此技術,但因為當時為非標準規格,因此各廠商在實作上可能存在相容性問題。

 

所謂的Beam forming技術在於使用單一聲測(Single sounding)與反饋格式(相較於802.11n的多重聲測與反饋格式),而在特定方向集中射頻(RF)能量,以改善到個別終端設備之傳輸效率。

 

5.支援高密度的解調變(Modulation): 256-QAM

802.11ac使用與802.11n 相同之 OFDM(正交分頻多工)作為調變與編碼技術,也相同要求裝置能夠支援BPSK、QPSK、16-QAM與64-QAM,但802.11ac額外增加256-QAM(3/4 or 5/6 Coding Rate)之調變方式,256-QAM的好處在於提供比64-QAM更大33% 之傳輸流量。不過256-QAM僅允許較低的位元錯誤容許誤差,因此較適用於無干擾之通訊環境中。

 

下表是使用各種調變(Modulation)技術在頻寬 40 MHz with 400 ns GI 使用單一空間流之理論傳輸速率:

Modulation

Coding rate

傳輸速率Mbps

BPSK

1/2

15

QPSK

1/2

30

QPSK

3/4

45

16-QAM

1/2

60

16-QAM

3/4

90

64-QAM

2/3

120

64-QAM

3/4

135

64-QAM

5/6

150

*256-QAM

3/4

180

*256-QAM

5/6

200

 

另一個與802.11n 之差異在於 802.11n 支援「不同」調變,例如一位使用者可能在一空間流上接收BPSK調變信號,及在另一空間流上接收16QAM 調變信號。但802.11ac只支援「相同」調變,因為此特性證明在市場中不會成功(很少802.11n 裝置實際支援此功能),所以IEEE決定放棄支援「不同」調變。

 

總結

下表整理 802.11ac 在單一空間流中使用不同頻寬 Bandwidth與不同調變 Modulation 之理論傳輸速率 Mbps:

 

Modulation

Coding rate

20 MHz channels

40 MHz channels

80 MHz channels

160 MHz channels

800 ns GI

400 ns GI

800 ns GI

400 ns GI

800 ns GI

400 ns GI

800 ns GI

400 ns GI

BPSK

1/2

6.5

7.2

13.5

15

29.3

32.5

58.5

65

QPSK

1/2

13

14.4

27

30

58.5

65

117

130

QPSK

3/4

19.5

21.7

40.5

45

87.8

97.5

175.5

195

16-QAM

1/2

26

28.9

54

60

117

130

234

260

16-QAM

3/4

39

43.3

81

90

175.5

195

351

390

64-QAM

2/3

52

57.8

108

120

234

260

468

520

64-QAM

3/4

58.5

65

121.5

135

263.3

292.5

526.5

585

64-QAM

5/6

65

72.2

135

150

292.5

325

585

650

256-QAM

3/4

78

86.7

162

180

351

390

702

780

256-QAM

5/6

N/A

N/A

180

200

390

433.3

780

866.7

(資料來源: http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac)

 

因此若802.11ac 使用最高 160 MHz Bandwidth,與最佳之調變 256-QAM,在8個空間流之情況下,最高可達 6.93 Gbps之理論傳輸速率

 

802.11ac協定除了上述五個新的特性之外,能與現有802.11n相容也是十分重要的,因此 802.11ac提供與802.11a和802.11n裝置在5 GHz頻帶之相容性。表示802.11ac能與支援802.11a和802.11n技術的裝置互動;802.11ac訊框結構可容納與802.11 a和802.11n裝置的傳輸。

 

參考資料

1.IEEE 802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications
2."Wi-Fi (wireless networking technology)". Encyclopadia Britannica.
3.DIGITIMES中文網: 即將邁入802.11ac的世代所面臨的測試挑戰
4.http://en.wikipedia.org/wiki/Guard_interval
5.http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11n-2009
6.http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac
7.http://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11
8.Cisco無線網路解決方案 http://www.cisco.com/web/TW/products/wireless/index.html