早在2008年,Wi-Fi標準制定聯盟IEEE就已定下次世代Wi-Fi標準802.11ac的新規格,新版預計在2013年底就可定案。

IEEE 802.11ac規格傳輸速率最高可達6.93Gbps,為了提高傳輸速率,新標準在規格設計上,也與802.11n有多項不同,其中資策會產業情報研究所網路通訊產業分析師陳純郁表示,新一代IEEE 802.11ac標準可統整出5大技術特性,包括所定義使用的頻段提高、增加新的的調變技術、波束技術的標準化、可支援的天線數增加、和多重裝置同步存取的新規格技術,讓新一代Wi-Fi標準802.11ac,不管是在傳輸速率、訊號的穩定性、廣度、可連網裝置數上,都有優於前一代的表現。

 特色1  採用更高5 GHz頻段取代舊有2.4 GHz頻段,提供更快的傳輸速率和更穩定的訊號
與現有常用的IEEE 802.11n標準不同的是,新一代Wi-Fi標準定義於更高的5 GHz頻段,過去舊有802.11n/b/g等標準採用的2.4 GHz頻段,屬於較低頻段。同一功率,頻率較低的2.4 GHz頻段雖然所打出的距離較遠,但相對的,傳輸量也較少。

在現有2.4 GHz頻段上,僅有20 MHz、40 MHz等兩個傳輸頻寬可用,類似於現有高速公路上的雙車道,可運載的車輛相對來說也有一定的限度。如果車流量變多,車子就會塞車,以此類比於無線網路,網路封包可用的通道少,網路傳輸速度相對也會變慢。

但在新一代Wi-Fi標準上,採用的是5 GHz頻段,可提供包括20 MHz、40 MHz、80 MHz、160 MHz等更寬的傳輸頻寬,過去的高速公路除原有的雙車道之外,還可擴充到3、4線車道,車道拓寬了,封包可走的傳輸通道更多了,傳輸速率相對就可增加很多,而這也就是新一代Wi-Fi標準傳輸速率可達6.93Gbps的原因。

在實務面上,採用更高頻段還有另一個優點,工研院資訊與通訊研究所新興無線應用技術組組長丁邦安表示,2.4 GHz頻段並非Wi-Fi無線網路專用,還有其他的無線應用,也都是採用此頻段,包括藍牙和一般家用遙控器等各類射頻技術,都是採用接近的頻段。

因此在過去,採802.11n標準的Wi-Fi訊號干擾也比較多。同樣的高速公路車道上,除了傳輸Wi-Fi無線網路的封包,還有其他的訊號同時使用,傳輸量就會更少,甚至會遠低於原有理論傳輸值的傳輸速率。

思科資料中心與無邊界網路事業部業務開發經理郭旭傑表示,雖然在現有802.11n標準下,Wi-Fi的理論傳輸速率最快可達600 Mbps,但實際的傳輸值,卻可能受到現有環境、天氣、建築物等干擾,而僅存300 Mbps,甚至更慢。Wi-Fi訊號的干擾程度,就是影響傳輸速率的主要關鍵。

新一代802.11ac標準所用的5 GHz頻段,使用此頻率的其他射頻技術較少,因此相對來說,丁邦安表示,訊號的干擾也會更少,Wi-Fi的傳輸速率就可以更穩定。

 特色2  改採256 QAM的調變技術,單一封包可負載量增加
除了5 GHz更高頻段的使用之外,陳純郁表示,新一代IEEE 802.11ac改採256 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的調變技術,單一封包可負載的資料量更多。 

過去在IEEE 802.11n標準下,不管是無線網路基地臺或是一般手機、平板裝置,採用的都是64 QAM的調變技術。新一代Wi-Fi改採256 QAM調變技術,此技術代表著是單一封包可負載的資料量,數值越高傳輸量更大,以同樣的高速公路車道舉例說明,同樣的車速,但單一車子上所運送的貨物量從原有的3件增加至6件,同樣的時間可運貨運變高了,傳輸速率同樣等同於提升。

 特色3  波束技術標準化,各家廠商技術通用
第三項特色是802.11ac標準納入了通用的波束技術(BeamForming)。BeamForming技術會加強單一天線的訊號發射強度,以避免訊號因為接收裝置的距離太遠,而造成訊號發散,甚至發生訊號降低的情形。

陳純郁表示,網通廠商在推出無線網路基地臺時,為了增加發射訊號的穩定度,都會編寫專屬的演算法,來執行BeamForming技術,以加強無線基地臺的訊號發送穩定度。

但與最新802.11ac標準不同的是,在802.11n標準之下,BeamForming技術並未納入標準規格內,各家廠商有不同的專屬演算技術。因此,陳純郁表示,這些技術彼此不相通,各家廠商的作法也不盡相同。

例如網通廠商,包括思科、Aruba等,也都有推出自有專屬的BeamForming技術。但企業如果採用不同廠商的無線網路路由器產品,就無法在基地臺訊號切換時,仍持續保證BeamForming技術的穩定。

但在新一代802.11ac標準中,IEEE聯盟將BeamForming技術納為標準規格之一,不同廠商之間都可以採用通用的BeamForming演算法。

因此,這項技術就能納入Wi-Fi技術的基本盤,不同廠商的產品都可加強新一代Wi-Fi訊號的穩定度,同樣傳輸距離,傳輸範圍可以更穩定,Wi-Fi訊號的覆蓋率和干擾相對也會較少,Beam Forming成為Wi-Fi應用的標準技術之一。

 特色4  新標準從現有支援4根天線擴增至8天線
除了訊號頻率上的調整之外,新一代IEEE 802.11ac標準也增加可支援的天線數量。

丁邦安表示,最早在IEEE 802.11 a/b/g標準之下,各類裝置的設計,僅支援單一收發器(Single-input Single-output,SISO)模式,因此不管是在無線網路基地臺、手機、筆記型電腦的設計上,都僅支援單一天線。

1組接收器、1組發送器、1×1的規格下,從單一空間流(Single-Streaming)來接收和發送訊號。

但在IEEE 802.11n標準下,新增了多收發器(Multi-input Multi-output,MIMO)模式。802.11n標準同時最多可支援4天線,在4組接收器、4組轉接器、4×4的規格下,最多可同時創造出4個空間流(Multi-Streaming),同時傳輸封包,並同時接收訊號要求,因此單一裝置同時可上傳和下載的資料量就可增加。

而在新一代IEEE 802.11ac之下,空間流從原有的4通道,擴增到8空間流,意指單一裝置最多可搭載8組收發器設備和天線。天線越多,可傳輸的資料量也越高。

在802.11ac標準之下,1×1規格的設備,傳輸量最高可達433 Mbps、2×2最高可達867Mbps,以此類推,在最高8×8的天線規格下,就可創造8個傳輸空間流,最高6.93Gbps的理論傳輸速率。

雖然標準定義的最高理論傳輸速率可達6.93Gbps,但丁邦安表示,在實務面上,真正上市的商品化產品,仍有產品設計的限制,以致於傳輸速率不及標準定義。

以一般裝置來看,丁邦安表示,因為天線的設計與裝置大小、可擺放的空間有關,較小的裝置,例如智慧型手機就無法放置太多天線,天線擺放的距離太近,也容易造成相互干擾的現象。因此目前現有智慧型手機多採用1×1的Wi-Fi無線網路規格,傳輸速率也會較低。

而較不受限於空間大小的無線網路基地臺或筆記型電腦,則可採用最高8×8的最高規格設計,傳輸量也會較大。

此外,除了空間限制之外,郭旭傑表示,天線的使用數也會造成設備耗電量增加。以8×8規格來看,用電量也會較現有4×4規格設計來得耗電,價格也會相對提高。因此多數網通廠商在設計產品時,仍會考量到整體耗電、所需使用的傳輸速率等級來設計。

以現有802.11n產品來看,目前多數廠商僅推出3×3規格的無線網路設備。而新一代Wi-Fi標準,Gartner研究總監洪岑維預估,較可用的規格標準為80 MHz下的4×4規格,傳輸速率同樣可達1 Gbps以上,而在耗電量和成本價格上,也可以符合效益。不同傳輸速率的等級,可採用的標準規格也有所不同。

 特色5  支援同時多裝置連網的Multi-user MIMO技術現身
除了可支援多收發天線的MIMO技術之外,丁邦安表示,802.11ac與現有Wi-Fi技術最大的不同是,新標準新增了Multi-user MIMO的新技術規格。此技術規格,可讓多天線的空間流狀態下,同步支援多裝置的上傳與下載。

過去在802.11n標準下,雖然最多可搭載4天線,4個空間流,但單一基地臺即使有多臺裝置同時需要連網,基地臺仍須視連網排程,來決定優先處理的設備順序。其他設備需要等待第一優先處理的設備其封包傳送完成後,才得以再接續處理。

因此如果同時有大量設備連網,傳送的檔案又很大時,即使單一基地臺有4根天線,傳輸速度已經提升,同時最多只能服務單一裝置。其他裝置必須排隊等待連網要求回應。

但802.11ac標準的Multi-user MIMO技術就可同步支援多裝置的連網要求。多天線可同時分散回應多裝置的連網要求,而不必等待第一順位的裝置封包傳送完成後,才接續處理第二順序設備,如此傳輸速率也可以較現有標準快。

陳純郁表示,過去在IEEE 802.11n標準下,各類裝置僅能提高傳輸速率,或是增加可連網的無線網路基地臺設備,來分散不同裝置的使用頻寬。但在新一代標準之下,傳輸速率除一併提升之外,也可同時支援多裝置同時存取單一基地臺,就布建成本來看,無線網路基地臺布建數量,在同樣人數的使用狀況下,也可以相對減少。

各項技術規格的調整,都可預期IEEE 802.11ac不管是在頻寬速率、訊號穩定度、多裝置連網等要求上,都會有更優於前一代的表現。其中多裝置的同步存取技術,也有助於抒解大量裝置在單一場所同步連網的需求。


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