漫談802.11ac 新協定

From : http://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0024/20130320_2409.html
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
802.11ac
(256-QAM)
20
40
80
160

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/AN/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

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