802.11ac與新一代無線網路技術標準發展與演進 智慧應用 影音
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802.11ac與新一代無線網路技術標準發展與演進

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行動裝置頻寬需求驅動Gb級無線網路(Source:Wi-Fi/Broadcom)。
行動裝置頻寬需求驅動Gb級無線網路(Source:Wi-Fi/Broadcom)。

無線通訊?網路技術依連線速率、距離與應用上,可從小於1Mbps/1m以下的NFC、1Mbps/10m以下的802.15個人無線網路(PAN),11?600Mbps、100?300m的802.11a/b/g/n Wi-Fi無線區域網路,到能提供20公里距離、75?300Mbps的WiMax/3G/4G LTE廣域無線網路(Wide Area Network;WAN)。

802.11ac將以空曠不擁擠的5GHz頻段,提供至少1.3Gbps的超高連線速率,為高清?4K解析度的影音傳輸與多屏一雲的雲端應用,帶來毫無羈絆的無線應用新契機。

802.11ac以5G頻段、MU-MIMO與波束成型技術勝出(Source:Wi-Fi Whitepaper)。

802.11ac以5G頻段、MU-MIMO與波束成型技術勝出(Source:Wi-Fi Whitepaper)。

坊間雙頻802.11ac無線分享器(Source:HUAWEI/Netgear/ASUS/D-Link)。

坊間雙頻802.11ac無線分享器(Source:HUAWEI/Netgear/ASUS/D-Link)。

無線區域網路(WLAN)與Wi-Fi標準的演進

在導入電腦應用之前,無線傳輸技術的發展已經有數十年歷史。而無線區域網路(Wireless Local Area Network;WLAN)技術,源自於1991年NCR與AT&T雙方為一家荷蘭銀行開發的無線收銀系統。

當Wi-Fi之父Vic Hayes以這項產品的應用技術,於1997年IEEE(國際電機電子工程學會)制定出802.11無線網路規範,以2.4GHz ISM頻段運作與來自軍方FHSS(跳頻展頻)與DSSS(直接序列展頻),BPSK、QSK與QPSK載波調變技術,傳輸速率為2Mbps,戶內?戶外連線距離可達20、100米,成為最早的Wi-Fi規格。

1999年追加了5GHz頻段、較先進的OFDM(正交分頻多工)調變技術的802.11a,與同樣2.4GHz頻段、DSSS調變技術的802.11b規格,連線速率分別達到54、11Mbps,戶內外連線距離也加大到35、120?140米;同年Wi-Fi聯盟正式成立並致力於IEEE 802.11x無線網路產品的推動與相關認證,使得Wi-Fi與IEEE 802.11x被視為無線區域網路標準的等義代名詞。

2003年英特爾(Intel)推行Pentium M處理器+855行動晶片組+802.11ab/802.11b無線網卡三合一的第一代迅馳(Centrino)行動平台,採OFDM(正交分頻多工)、2.4GHz ISM頻段的802.11g規格,連線速率直追5GHz頻段的802.11a(54Mbps),且跟既有802.11b相容,戶內連線距離加大到38米。

2004年初IEEE對802.11g正式定案,802.11b/g也迅速成為2004~2009年之間,筆電甚至無線網卡的主流規格。

隨著行動通訊、網際網路行動化、視訊串流化與雲端運算的應用逐漸普及,從PMP、數位相機,到智慧手機、平板電腦等裝置追加Wi-Fi 802.11b/g無線網路,促使Wi-Fi無線網路應用行動化,也進一步帶動了家庭企業無線閘道器?路由器產品的蓬勃發展。而採用2.4/5GHz ISM頻段、運用最新4x4 MIMO(多重天線收發)技術的802.11n規格於2009年推出。

其首度將運作頻寬加倍到40MHz,同時採用OFDM(正交分頻多工)與16QAM、64QAM調變編碼技術,以1T1R1Stream(一傳送?一接收?單資料流)的連線速率上限達150Mbps,2T2R2Stream(雙天線?雙資料流)的802.11n裝置,連線速率達300Mbps,3T3R3Stream(三天線?三資料流)更達到450Mbps;若是採用4T4R (4x4 MIMO)設計下,802.11n的連線速率極限達到600Mbps。

不過受限於功耗以及成本,大多數行動裝置仍以1T1R?2T2R(1x1?2x2 MIMO)雙資料串流的設計為主,採4T4R(4x4 MIMO)的行動裝置並不多見,使得多數頂級802.11n的無線閘道器產品,仍以3根天線(3T3R, 3x3 MIMO)的三資料串流,連線速率450Mbps的產品最為常見。

Wi-Fi走向行動裝置  無線網路G情演出

由於做高清甚至4K影音傳輸,所需的網路串流速率從1.3Gbps?7Gbps不等,而在多屏一雲的數位家庭應用的驅動下,家中行動裝置、個人電腦與筆電,以至於大尺寸液晶電視,透過無線閘道器相互傳送影音資料,更是把家中無線閘道器的頻寬消耗殆盡,即便是最高4x4 MIMO技術的802.11n也不勝負荷。

於是IEEE於2008年11月啟動ac工作小組(TGac),以較少干擾的5GHz ISM頻段,開發出突破Gbps等級的無線網路新技術,同時與既有5GHz頻段的802.11a/n相容,這即為802.11ac規格的前身。

甫於2014年1月正式定案的802.11ac規格中,採用5GHz(從4.9~ 6.0GHz)射頻頻段;同樣採OFDM正交分頻多工與解碼效率更高的QAM256載波調變技術,MIMO資料串流上限也擴大到最多8個。

802.11ac也加入了針對多用戶、多MIMO裝置的MU-MIMO動態調配技術,以及巧妙計算多重天線之間電波的振幅干涉,對終端裝置形成具指向性強化電波的波束成型(Beamforming)技術。

光單資料串流下,使用80Mhz頻寬的802.11ac就達到433Mbps的連線速率。以常見的3天線3資料串流(3x3 MIMO)的無線路由器做比較,40MHz頻寬、2.4/5GHz頻段的 802.11n,連線速率為450Mbps;而80MHz頻寬、5GHz頻段的802.11ac裝置,連線速率為433Mbps*3=1.3Gbps,約為802.11n的三倍,也達到無線傳遞高清影音的門檻。

而802.11ac若使用最高8x8 MIMO(8天線8資料串流),並使用160MHz頻寬,其連線速率上限達到433*8*2=6,933Mbps=6.93Gbps,這種連線速率也達到了傳遞無壓縮高清影音(Full HD)甚至是4K(3840x2160)影音的速度需求。

2.4/5GHz截長補短  雙頻成當今主流

比起802.11n產品室內連線距離可達70米。受限於802.11ac的5GHz高頻率特性使然,其訊號散射與穿透能力較差,在室內環境下802.11ac裝置之間的連線距離僅剩30米左右,退回到當初1997年Wi-Fi剛推出的水準。

所幸802.11ac規格上與5GHz 802.11n相容,802.11ac網卡多半具備相容降速能力,當網卡無法搜尋到5GHz頻段上以802.11ac最高速連接時,可以切回5GHz/802.11n模式,甚至2.4GHz/802.11n的連線模式進行無線傳輸。

也因此網通晶片?網卡設備廠商,推出結合5GHz 802.11ac與既有2.4/5GHz 802.11n的雙頻?雙模產品,讓用戶無論是使用既有的802.11n行動裝置,或先進的802.11ac高速行動網卡?手機裝置,依照掃描得到的連線距離需求,動態選擇用802.11n或是速度最快的802.11ac來連線。

而雙頻802.11ac無線分享器也是基於這種思維設計,坊間許多高階雙頻802.11ac無線閘道器?分享器產品,是以提供3x3 MIMO 802.11n(450Mbps)+3x3 MIMO 802.11ac(1300Mbps),總頻寬達1750Mbps為規格訴求;它能同時接受802.11ac與802.11n的無線裝置各自連接,並各自以1.3Gbps、450Mbps的規格最高速率去服務。

博通(Broadcom)在自家的路由器晶片?網卡晶片,支援一種專利的TurboQAM調變技術,在2.4GHz頻段下也能開啟高解碼效率的QAM256載波技術,使得同頻率、同MIMO空間串流下,802.11n傳輸速率提昇33%;像華碩(ASUS)的RT-AC68U雙頻無線路由器、Netgear的Nighthawk R7000等802.11ac等無線路由器,均採用博通BCM4360無線收發晶片搭BCM4708 SoC網通處理器架構。

目前筆電部份,英特爾已推出Dual Band Wireless-AC 7260 miniPCI-E網路卡。陸續搭著主機板與筆電出貨。

前面所提到的僅無線分享器會設計3?4支天線,在802.11n、802.11ac部份各自走3x3 MIMO三資料串流的設計,也就是1750?1900(TurboQAM)Mbps的設計,同時提供4組LAN區域網路埠、1組WAN網際網路埠,以及1?2組的USB 2.0/3.0連接埠。

少數強調可以跨樓層無線橋接的無線路由器,則會配置9dB的大型天線來強化其收訊?發送強度。這類高階雙頻802.11ac/802.11n無線路由器,售價大約新台幣4,990?6,990元。

而2.4GHz或2.4/5GHz雙頻純802.11n無線路由器,依天線、連線速率(300?450Mbps)做區分,價格已跌破新台幣2,000元甚至千元有找,同時其覆蓋率與實際連線表現上的C/P值很高,值得無需Gbps等級無線網路的用戶使用。