這篇文章是轉(zhuǎn)載自國立臺灣大學(xué)的網(wǎng)站，原文發(fā)表于2012年，還是802.11ac Draft標(biāo)準(zhǔn)，但是內(nèi)容不錯，讀者不要在意文中提到的時間。
近年來手持設(shè)備蓬勃發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)之技術(shù)也隨著與時并進。與無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)的新聞中，曝光率最高的就屬 IEEE 802.11ac 協(xié)定。由于它是第一個超過1 Gbps傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此備受矚目。根據(jù)報導(dǎo)，802.11ac將對現(xiàn)有市場造成沖擊，并且將在2015年將超過10億個IC之出貨量。本篇文章將介紹 802.11ac 之發(fā)展現(xiàn)況，并探討它的技術(shù)特性。
前言
802.11ac是一個由 IEEE（電機電子工程師學(xué)會）所制訂的802.11無線網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)。第一個草案(Draft 1.0)發(fā)表于2011年11月，目前已發(fā)布 Draft 5.0，預(yù)計在 2013年底或2014年初才會發(fā)布正式版本。
雖然正式版本尚未發(fā)布，但近期的無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)產(chǎn)品信息，卻已有許多與 802.11ac 相關(guān)的產(chǎn)品與報導(dǎo)出現(xiàn)，我們就來了解一下這個最新的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
802.11ac提供下列的技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)頻寬與更好的使用者體驗：
- 支援更寬的頻寬(RF Bandwidth): 最高160 MHz（802.11n上限是 40 MHz）
- 支持最多 8空間串流(MIMO Spatial Streams)（802.11n僅支持4個）
- 多使用者的 MIMO (Multi-user MIMO) （802.11n 無此功能）
- 傳送波束成型正式納入標(biāo)準(zhǔn)(Beam forming) (802.11n 非標(biāo)準(zhǔn)功能)
- 支持高密度的解調(diào)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(yù)計使用5 GHz RF頻帶(4.9 ~ 6.0 GHz)，主要原因在于802.11ac有較寬的頻寬(RF Bandwidth)需求。
以美國地區(qū)為例， 2.4GHz 能用的范圍僅有2.4~ 2.462 GHz, 以5MHz 區(qū)分一個 Channel，共有 11 個Channels 如下：
|
Channel
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
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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。
這也就是一般在無線網(wǎng)絡(luò)建置中，在一個空間中，若無線 AP 僅支持 2.4GHz 802.11 b/g/n，則建議最多布建三臺，且三臺 AP 各設(shè)定使用 Channel 1/6/11，才能有互不干擾之最佳效果。除了無線網(wǎng)絡(luò)使用于 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(nèi)。而5GHz在美國地區(qū)能用的范圍有 5.180~5.850GHz，以5MHz 區(qū)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(shù) (Channel Bonding)來達成，也就是可使用連續(xù)Contiguous 80+80 MHz 或非連續(xù) 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：
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Protocol
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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(fā)射天線數(shù)量 x 接收天線數(shù)量：空間流數(shù)
例如：3x3:3 MIMO
表示有三個發(fā)射天線與三個接收天線，共提供三個空間流(Spatial Streams)。
在企業(yè)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(fā)射天線與四個接收天線，卻僅提供三個空間流數(shù)量，其優(yōu)點在于使用N+1 的冗余收發(fā)器，可針對信號衰減和硬件故障提供有效保護，使三個空間流之性能和覆蓋范圍更大且更穩(wěn)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(shù)，其優(yōu)點在于多個終端設(shè)備同時連上 AP 時，每個裝置可獨立使用不同的空間流(Spatial Streams)傳輸數(shù)據(jù)，進而減少競爭，此種技術(shù)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(shè)備同時單獨進行通訊。而現(xiàn)行的 802.11n MiMo裝置只能在同一時間服務(wù)一個終端設(shè)備之多重天線，無線 AP必須以時間多任務(wù)服務(wù)多個終端設(shè)備。
4. 傳送波束成型(Beam forming) 正式納入標(biāo)準(zhǔn)
Beam forming (波束成型)技術(shù)已經(jīng)正式納入 802.11ac 之標(biāo)準(zhǔn)，雖然在 802.11n 已有多家廠商提供此技術(shù)，但因為當(dāng)時為非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，因此各廠商在實作上可能存在兼容性問題。
所謂的Beam forming技術(shù)在于使用單一聲測(Single sounding)與反饋格式(相較于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(shè)備之傳輸效率。
5. 支持高密度的解調(diào)變(Modulation): 256-QAM
802.11ac使用與802.11n 相同之 OFDM(正交分頻多任務(wù))作為調(diào)變與編碼技術(shù)，也相同要求裝置能夠支持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(diào)變方式，256-QAM的好處在于提供比64-QAM更大33% 之傳輸流量。不過256-QAM僅允許較低的位錯誤容許誤差，因此較適用于無干擾之通訊環(huán)境中。
下表是使用各種調(diào)變(Modulation)技術(shù)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 之差異在于 802.11n 支持「不同」調(diào)變，例如一位使用者可能在一空間流上接收BPSK調(diào)變信號，及在另一空間流上接收16QAM 調(diào)變信號。但802.11ac只支持「相同」調(diào)變，因為此特性證明在市場中不會成功(很少802.11n 裝置實際支持此功能)，所以IEEE決定放棄支持「不同」調(diào)變。
總結(jié)
下表整理 802.11ac 在單一空間流中使用不同頻寬 Bandwidth與不同調(diào)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
|
因此若802.11ac 使用最高 160 MHz Bandwidth，與最佳之調(diào)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(xié)議除了上述五個新的特性之外，能與現(xiàn)有802.11n兼容也是十分重要的，因此 802.11ac提供與802.11a和802.11n裝置在5 GHz頻帶之兼容性。表示802.11ac能與支持802.11a和802.11n技術(shù)的裝置互動；802.11ac訊框結(jié)構(gòu)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." WiFi (wireless networking technology)". Encyclopadia Britannica.
3.DIGITIMES中文網(wǎng): 即將邁入802.11ac的世代所面臨的測試挑戰(zhàn)
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(wǎng)絡(luò)解決方案 http://www.cisco.com/web/TW/products/wireless/index.html
本文轉(zhuǎn)載自：http://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0024/20130320_2409.html
