漫谈802.11ac 新协议

这篇文章是转载自国立台湾大学的网站,原文发表于2012年,还是802.11ac Draft标准,但是内容不错,读者不要在意文中提到的时间。

近年来手持设备蓬勃发展,无线网络之技术也随着与时并进。与无线网络的相关的新闻中,曝光率最高的就属 IEEE 802.11ac 协定。由于它是第一个超过1 Gbps传输速率的无线网络协议,因此备受瞩目。根据报导,802.11ac将对现有市场造成冲击,并且将在2015年将超过10亿个IC之出货量。本篇文章将介绍 802.11ac 之发展现况,并探讨它的技术特性。

前言

802.11ac是一个由 IEEE(电机电子工程师学会)所制订的802.11无线网络通讯标准。第一个草案(Draft 1.0)发表于2011年11月,目前已发布 Draft 5.0,预计在 2013年底或2014年初才会发布正式版本。

虽然正式版本尚未发布,但近期的无线网络相关产品信息,却已有许多与 802.11ac 相关的产品与报导出现,我们就来了解一下这个最新的无线网络协议。

802.11ac提供下列的技术来提升网络频宽与更好的使用者体验:

  • 支援更宽的频宽(RF Bandwidth): 最高160 MHz(802.11n上限是 40 MHz)
  • 支持最多 8空间串流(MIMO Spatial Streams)(802.11n仅支持4个)
  • 多使用者的 MIMO (Multi-user MIMO) (802.11n 无此功能)
  • 传送波束成型正式纳入标准(Beam forming) (802.11n 非标准功能)
  • 支持高密度的解调变(Modulation): 256 QAM (802.11n 最高 64-QAM)

1. 支援更宽的频宽(RF Bandwidth): 最高160 MHz

802.11ac Draft预计使用5 GHz RF频带(4.9 ~ 6.0 GHz),主要原因在于802.11ac有较宽的频宽(RF Bandwidth)需求。

以美国地区为例, 2.4GHz 能用的范围仅有2.4~ 2.462 GHz, 以5MHz 区分一个 Channel,共有 11 个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

wifi-channels

虽然有 11个Channels可用,若以 802.11b 为例,所需频宽RF Bandwidth: 22MHz,因此仅有三个不会互相干扰之 Channel 存在。

11b-channels

这也就是一般在无线网络建置中,在一个空间中,若无线 AP 仅支持 2.4GHz 802.11 b/g/n,则建议最多布建三台,且三台 AP 各设定使用 Channel 1/6/11,才能有互不干扰之最佳效果。除了无线网络使用于 2.4 GHz频带,蓝芽、家用无线电话都在使用,甚至连微波炉都可能会在这个频带内。而5GHz在美国地区能用的范围有 5.180~5.850GHz,以5MHz 区分一个 Channel,可用的 Channels 有 36~165,因此才能容纳 802.11ac 最高 160 MHz 之频宽要求。但5GHz也不是完全没有缺点,因为频率越高,波长越短,绕射(diffraction)程度越低,也就是遇到障碍不容易绕过,因此在相同功率上之有效传输距离会较 2.4GHz 来的短。

802.11ac 所需160 MHz 之频宽可利用通道集成技术 (Channel Bonding)来达成,也就是可使用连续Contiguous 80+80 MHz 或非连续 Discontinuous 80+80 MHz,使总频宽达到160 MHz。下表为在单一空间流使用不同频宽 (Bandwidth) 在 802.11n 与 802.11ac 之理论传输速率:

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. 支持最多 8空间流(MIMO Spatial Streams)

MIMO 是 Multi-input Multi-output 之缩写,可用此法表示:

T x R:S

发射天线数量 x 接收天线数量:空间流数

例如:3×3:3 MIMO

表示有三个发射天线与三个接收天线,共提供三个空间流(Spatial Streams)。

在企业方案所提供之无线解决方案,也会看到如 MIMO: 4×4:3,表示有四个发射天线与四个接收天线,却仅提供三个空间流数量,其优点在于使用N+1 的冗余收发器,可针对信号衰减和硬件故障提供有效保护,使三个空间流之性能和覆盖范围更大且更稳定。

802.11n 40 MHz Bandwidth (64-QAM),使用多个空间流之理论传输速率:

空间流
Spatial Streams

1

2

3

4

传输速率Mbps

150

300

450

600

802.11ac 40 MHz Bandwidth (256-QAM),使用多个空间流之理论传输速率:

空间流
Spatial Streams

1

2

3

4

5

6

7

8

传输速率Mbps

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

3. 多使用者的 MIMO (Multi-user MIMO)

Multi-user MIMO 是一种新的技术,其优点在于多个终端设备同时连上 AP 时,每个装置可独立使用不同的空间流(Spatial Streams)传输数据,进而减少竞争,此种技术又称为 SDMA (Space Division Multiple Access)。

例如一个无线 AP 使用 4 x 4: 4 Mu-MiMo可对2个连上的终端设备同时单独进行通讯。而现行的 802.11n MiMo装置只能在同一时间服务一个终端设备之多重天线,无线 AP必须以时间多任务服务多个终端设备。

4. 传送波束成型(Beam forming) 正式纳入标准

Beam forming (波束成型)技术已经正式纳入 802.11ac 之标准,虽然在 802.11n 已有多家厂商提供此技术,但因为当时为非标准规格,因此各厂商在实作上可能存在兼容性问题。

所谓的Beam forming技术在于使用单一声测(Single sounding)与反馈格式(相较于802.11n的多重声测与反馈格式),而在特定方向集中射频(RF)能量,以改善到个别终端设备之传输效率。

5. 支持高密度的解调变(Modulation): 256-QAM

802.11ac使用与802.11n 相同之 OFDM(正交分频多任务)作为调变与编码技术,也相同要求装置能够支持BPSK、QPSK、16-QAM与64-QAM,但802.11ac额外增加256-QAM(3/4 or 5/6 Coding Rate)之调变方式,256-QAM的好处在于提供比64-QAM更大33% 之传输流量。不过256-QAM仅允许较低的位错误容许误差,因此较适用于无干扰之通讯环境中。

下表是使用各种调变(Modulation)技术在频宽 40 MHz with 400 ns GI 使用单一空间流之理论传输速率:

Modulation

Coding rate

传输速率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

另一个与802.11n 之差异在于 802.11n 支持「不同」调变,例如一位使用者可能在一空间流上接收BPSK调变信号,及在另一空间流上接收16QAM 调变信号。但802.11ac只支持「相同」调变,因为此特性证明在市场中不会成功(很少802.11n 装置实际支持此功能),所以IEEE决定放弃支持「不同」调变。

总结

下表整理 802.11ac 在单一空间流中使用不同频宽 Bandwidth与不同调变 Modulation 之理论传输速率 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

因此若802.11ac 使用最高 160 MHz Bandwidth,与最佳之调变 256-QAM,在8个空间流之情况下,最高可达 6.93 Gbps之理论传输速率

802.11ac协议除了上述五个新的特性之外,能与现有802.11n兼容也是十分重要的,因此 802.11ac提供与802.11a和802.11n装置在5 GHz频带之兼容性。表示802.11ac能与支持802.11a和802.11n技术的装置互动;802.11ac讯框结构可容纳与802.11 a和802.11n装置的传输。

参考资料

1.IEEE 802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications

2.” WiFi (wireless networking technology)”. Encyclopadia Britannica.

3.DIGITIMES中文网: 即将迈入802.11ac的世代所面临的测试挑战

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无线网络解决方案 http://www.cisco.com/web/TW/products/wireless/index.html

本文转载自:http://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0024/20130320_2409.html

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