IEEE 802.11ac 概念以及與 802.11n 的比較

發表日期: Aug 14, 2017 | 5 Ratings | 4.60 out of 5 | 列印

概觀

IEEE 802.11ac 是一種 802.11 無線區域網路 (WLAN) 的通訊標準,是傳統 Wi-Fi 規格 802.11n的繼承者,與其相比有傳輸頻寬更大、傳輸率更高的優點。802.11ac 自 2011 年推出以來就受到極大歡迎,隨著技術不斷發展,802.11ac 的使用會越來越廣泛。本文將深入探討 802.11ac 的概念以及其與 802.11n 的比較。

目錄

  1. 802.11ac 更高的通道頻寬
  2. 持續提高的空間串流
  3. 強化調變方式與編碼率
  4. 計算 802.11ac 資料速率
  5. IEEE 802.11ac 測試難題

802.11ac、802.11n 一覽

在幾年之前,某幾款全球首次上市的 802.11n Wi-Fi 產品,就曾冠上「Draft-N」的規格;也就是所謂的「草版」或「搶先版」。當然,這些路由器與存取點之所以加上「Draft-N」的規格,就是因為這種標準還不存在。但現在 802.11n 產品已經滿街都是,而且已經成為 Wi-Fi 標準。但如同許多 802.11g 產品都往 802.11n 發展,IEEE 802.11ac 也將取代 802.11n 成為下一代主要的 Wi-Fi標準。

新的 802.11ac 規格,主要是為了因應更高資料傳輸率的需求。如同 Wi-Fi 從 802.11a/b 演變為「g」,又演變為 802.11n,802.11ac 的極高傳輸率 (Very High Throughput,VHT) 將達到更高的傳輸率。接著將說明實體層 (Physical layer) 的基本概念,以了解新規格將如何支援更高傳輸率。另外,我們也會說明某些革命性的特性參數,如更高的通道頻寬、調變類型的變化、更多的空間串流 (Spatial stream) 等。

先透過表 1 比較 Wi-Fi 舊款與新款的實體層基本規格。

  802.11a/g 802.11n 802.11ac
天線設定 1x1 SISO 4x4 MIMO 8x8 MIMO
最高階次的調變 BPSK to 64-QAM BPSK to 64-QAM BPSK to 256-QAM
通道頻寬 20 MHz 20 MHz & 40 MHz 20、40、80、80+80、160 MHz
發表年代

1999 (802.11a)

2003 (802.11g)

2009 2012 (最後規格)

表 1. 新一代 Wi-Fi 在實體層規格方面的變化

 

如表 1 所示,802.11n 規格的主要功能,即透過 4x4 MIMO 技術而達到更多空間串流。而802.11ac與802.11n相比,可看到最大空間串流繼續提升至 8x8 MIMO。其他明顯變化還有802.11ac 規格有高至 160 MHz 的通道頻寬,並導入了 256-QAM 調變技術。

1. 802.11ac 更高的通道頻寬

IEEE 802.11ac 使用比之前包括 802.11n 的所有 Wi-Fi 標準更高的通道頻寬。在 MIMO 之前,均是以 Shannon-Hartley 定理作為數位通訊通道的理論性資料傳輸率模型。

方程式 1. 通道傳輸率的典型 Shannon-Hartley 定理模型

 

根據此定理,只要影響通道頻寬或訊噪比 (SNR),即可提高特定通道的傳輸率。時至今日,Shannon-Hartley 理論雖已無法解釋多重空間串流對總資料傳輸率的影響,但仍說明了通道頻寬與資料傳輸率之間的關係。 

在 OFDM 系統中,頻寬與資料率的正相關性最為明顯。舉例來說,在維持相同的子載波間距 (Sub-carrier spacing) - 亦即所謂的符碼率 (Symbol rate) - 的情況下,要新增子載波就必須提高通道的頻寬。在 802.11ac 規格中,可清楚了解通道頻寬與子載波數量之間的關係。圖 2 顯示所有頻寬模式已有固定的子載波間距,因此只要增加子載波數量即可提升頻寬。

通道頻寬

子載波間距 (Subcarrier Spacing)

子載波總數

(IFFT Size)

資料子載波

引導子載波 (Pilot Subcarrier)

20 MHz

312.5 kHz

64

52

4

40 MHz

312.5 kHz

128

108

6

80 MHz

312.5 kHz

256

234

8

160 MHz*

312.5 kHz

512

468

16

 

* 此模式為 802.11ac 可選

表 2. 在 802.11ac 中的通道頻寬選項

 

表 2 中可發現,與最高頻寬僅可達到40 MHz 的 802.11n 比較,802.11ac 的頻寬可達到 160 MHz,可謂是一大躍進。目前 Wi-Fi 頻帶若要達到 160 MHz 可用頻譜,均必須用於 5 GHz 頻帶 (目前一般均為 2.4 GHz 頻帶) 中;因此 802.11ac 規格僅能應用到 5 GHz ISM 頻帶上。

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2. 持續提高的空間串流

Shannon-Hartley 理論目前仍可有效估算單輸入/輸出 (SISO) 通道的最高傳輸率,但需稍加修改才能接著解釋 NINO 通道的最高傳輸率。若實體通道具備足夠的多路徑反射 (multipath reflection),則理想狀態下的最大資料傳輸率,將隨著空間串流的數量而呈線性調整。以 2x2 MIMO 系統為例,若單一實體通道使用 2 組獨立的空間串流 (即相同頻率),將可有效加倍傳輸率;即達到傳統 SISO 系統的 2 倍傳輸率。依此類推,4x4 MIMO 通道將可達 SISO 傳輸率的 4 倍;8x8 MIMO 通道就是 8 倍;由此得知,可使用 8x8 MIMO 的 802.11ac 比使用4x4 MIMO 的 802.11n有高一倍的傳輸率。因此我們可修改 Shannon-Hartley 理論如下。如同其他蓬勃發展中的無線規格 (即 3GPP 的 LTE-Advanced),802.11ac VHT 規格可使用最多 8x8 MIMO。

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3. 強化調變方式與編碼率

802.11a 與 802.11n所使用的 64-QAM 調變類型曾今是所有無線標準「最高」階次的調變類型, 802.11ac 則透過高達 256-QAM 的調變方式而提升了資料傳輸率。但 802.11ac 身為消費性裝置的第一個商用無線標準,又將資料傳輸率推升直達 256-QAM。在方程式 2 可以看到「調變方式的階次」與「各組符碼所能呈現的位元數」之間的關係。

方程式 2. 調變方式越複雜,各組符碼所呈現的位元數也越多。

 

這裡可看出如二元相位鍵移 BPSK (Binary Phase Shift Keying,BPSK) 的調變方式極其簡單,只利用了 2 組符碼,且各組符碼可產生 1 個位元 [log2(2)=1]。相對來說,如 256-QAM 的複雜調變方式就具備較高的「階次 (Order)」,亦可產生較高的資料速率。其實 256-QAM 的各組符碼可呈現 8 個位元 [log2(256)=8]。比較 802.11ac 與 802.11n,則發現 256-QAM 可高出傳統 64-QAM 達 33% 的資料傳輸率。

調變階次的另一項有趣之處,在於發送器的調變品質與 Shannon-Hartley 定理有著密不可分的關係。若要了解此關係,則可針對發送器的相對星座誤差 (Relative constellation error),觀察 802.11ac 規格的限制 (亦可將之視為 EVM)。如表 3 所示,較高階次的調變類型 (如 256-QAM) 對 EVM 的需求就越嚴格。其實 EVM 與訊噪比 (SNR) 本來就息息相關,所以不需大驚小怪。 

調變

編碼率

RMS EVM

BPSK

½

-5 dB

QPSK

½

-10 dB

QPSK

¾

-13 dB

16-QAM

½

-16 dB

16-QAM

¾

-19 dB

64-QAM

2/3

-22 dB

64-QAM

¾

-25 dB

64-QAM

5/6

-27 dB

256-QAM

¾

-30 dB

256-QAM

5/6

-32 dB

表 3. EVM 發送器可將效能需求降至最低

 

為了確實呈現 SNR 對調變類型的影響,我們透過圖 1 顯示 256-QAM 訊號在不同 SNR 環境中的星座圖。

圖 1. SNR 越高,就可使用月高階次的調變類型,如 256-QAM

 

如 256-QAM 的星座圖所示,若要解調 256-QAM 的訊號而不產生位元錯誤,則 32 dB 的 SNR 即已足夠。但相對來說,若環境具備較低的 SNR,就可看到星座圖產生模糊現象;在 SNR 低於 27 dB 以下時尤為明顯。在這種通道環境的條件下,既有的 Wi-Fi 存取點將無法維持 256-QAM 的通訊作業;但若轉換為較低階次的調變方式,將可達到合適的誤框率 (Frame Error Rate,FER) 效能。針對 Shannon-Hartley 定理所述,此範例即可說明 SNR 與資料傳輸率之間的關係。

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4. 計算 802.11ac 資料速率

為了能正確找出 802.11ac 的最高理想傳輸率,我們必須考量多個關鍵因素,如調變的類型、資料子載波的數量、碼率、符碼率、空間串流的數量。若要確認混合資料速率,必先決定單次所能傳輸的編碼資料位元數。而尚在規範細節中的 802.11ac 規格,將此定義為「各組子載波的資料位元數 (Number of data bits per subcarrier,NDPSC)」,且包含所有空間串流的資料位元數。就數學的角度來看,NDPSC 將受到各組符碼的位元樹、編碼率、資料子載波的數量等因素所影響。 

我們再以方程式 3 呈現 NDPSC

方程式 3. 在所有空間串流中,「各組符碼位元數」與「編碼率」對「已編碼位元數」的影響。

 

若以 20 MHz 的 802.11ac 傳輸作業為例,64 組子載波會有 52 組用於資料傳輸,剩下的 12 組則用以整合防護頻帶 (Guard band)、無效子載波 (Null subcarrier),或引導頻帶 (Pilot tone)。若要使用 QPSK 調變類型與 ½ 的編碼率,則 NDPSC 將等於 26 位元 (1 x 52 x 0.5)。若要使用 256-QAM 調變類型,則可用表 4 算出 NDPSC 的頻寬與空間串流之組合數量。

表 4. NDPSC 與資料速率,將隨著頻寬與空間串流而呈現指數性的成長。

 

透過已知的「各空間串流的總資料位元」,再將 (NDBPS) x 空間串流數 x 符碼率 x 資料所利用的總符碼期間百分比,即可算出 802.11ac 實體層的最大理想傳輸率。在此範例中,符碼率等於子載波間距 (Subcarrier spacing),可表示為 312.5 kHz 或 312,500 symbols/second。接著透過方程式 4 呈現此關係。

方程式 4. 計算 NDPSC、符碼率、符碼利用率而得的資料速率。

 

如方程式 4 所呈現的,符碼利用率即是「資料符碼期間 / 總符碼間隔」的比值。此處的:

TDFT = DFT/IFDFT Symbol Period = 3.2 μs

TSYMS = Short GI symbol interval = 3.6 μs

TSYML = Long GI symbol interval = 4.0 μs

由此可知,若設定中使用了短防護間隔 (Short guard interval),則使用率為 3.2/3.6 = 88.9%。同樣的,若使用長防護間隔 (Long guard interval),則使用率為 3.2/4.0 = 80%。

透過方程式 5,即可估算 802.11ac 單一通訊通道的最大理想傳輸率。為了算出 802.11ac 的最大理想傳輸率,我們使用 8x8 MIMO、160 MHz 通道頻寬、256-QAM 調變方式、短防護間隔。則最大理想資料速率即如方程式 5 所示。

方程式 5. 算出 802.11ac 的最大理想傳輸率將超過 6.9 Gbps。

 

如方程式 5 所示,由實體層所達到得最大理想資料傳輸率,802.11ac 將可超過每秒 6.9 Gigabits,與 802.11n 比較是一大躍進。當然,這裡必須再次強調:此數字僅為理想狀態下的計算而得。在實際條件下,若要超過 6.9 Gbps 資料速率的資料速率,則實際通道必須能達多種組合,以同步進行 8 組空間串流。進一步針對 256-QAM 調變類型的 SNR 需求來看,只有讓發送器與接收器緊密相鄰,達到更高的訊號強度,才有機會達到最大理想傳輸率。最後必須強調,通訊系統不僅是實體層而已。雖然我們已確認實體層可支援 6.9 Gbps,但製造商接著仍須強化 MAC Layer、數位資料匯流排,甚至升級嵌入式處理器,才能讓產品妥善利用最大資料傳輸率。

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5. IEEE 802.11ac 測試難題

新一代的無線標準,雖然能透過明顯優勢 (如更高的資料傳輸率) 而進一步滿足消費者的需求,但這些無線設備的設計與測試作業,亦帶來更高難度的測試挑戰。就 IEEE 802.11ac 來說,工程師必須能處理高複雜度的多重無線電測試設定 (如 8x8 MIMO)。

此外,市場將逐漸重視 160 MHz 規格的頻寬需求,而工程師必須維持量測的精確度,才能因應以後越來越高的頻寬。而對自動化產業來說,量測複雜度越高,量測速度的需求亦將隨之提高。而 802.11ac 的訊號解調作業,將需要更高的訊號處理功能,當然量測速度亦會是考量要點。

若要測試新一代的無線標準,首選就是軟體定義的 PXI 測試設備。到目前為止,已有多款 802.11ac 產品是用 PXI 設備完成測試。如模組化、靈活度、訊號處理功能等的 PXI 關鍵優勢,均將使 PXI 更普及於量測產業,並將迅速扮演重要角色。

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