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 |
2412 |
2417 |
2422 |
2427 |
2432 |
2437 |
2442 |
2447 |
2452 |
2457 |
2462 |
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。
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 |
Data rate per stream |
|
802.11n |
20 |
72.2 |
|
40 |
150 |
|
|
802.11ac |
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：3x3:3 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: 4x4:3，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 |
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 |
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