802.11ac第二代采用波束成型技術(shù) MU-MUMO天線更智慧

當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)世界，商務(wù)人士必須在返回辦公室之前就開始工作。此時(shí)，他必須連上最近的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi) 熱點(diǎn)，然后等待、等待、再等待。這種經(jīng)驗(yàn)是家常便飯，或許可以稱之為“Wi-Fi挫折癥候群”。有幾點(diǎn)原因造成此問題。在大多數(shù)情況，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者安裝的存 取點(diǎn)(AP)過少，以至于無法服務(wù)許多使用者。有時(shí)候，即使有足夠的AP，帶寬依舊無法滿足使用者的需求。如同跑道同一時(shí)間僅能容納一架飛機(jī)，AP同一時(shí) 間也僅能與一部裝置進(jìn)行通訊。它們看似能夠服務(wù)多位使用者，其實(shí)是因?yàn)樗鼈兎指顣r(shí)間，并來回分配給不同的使用者。

因此，使用 者最后經(jīng)常體驗(yàn)到持續(xù)的緩沖、延遲及斷線。即使采用先進(jìn)技術(shù)，例如多重輸入多重輸出(MIMO)天線，就算情況改善，也會(huì)因?yàn)閱我皇褂谜?Single User)的設(shè)計(jì)而受限。如同必須在機(jī)場(chǎng)增加跑道，才能在任何特定時(shí)間允許更多飛機(jī)起降一樣，AP也需要更多的空間串流以同時(shí)服務(wù)一部以上的裝置。不過 MIMO無法達(dá)到此目的。MIMO確實(shí)可透過多支天線，提供更強(qiáng)且更具指向性的信號(hào)，但假使AP擁塞，信號(hào)再?gòu)?qiáng)大也無法提供優(yōu)異的使用者體驗(yàn)，因?yàn)锳P同 一時(shí)間還是只能服務(wù)一個(gè)使用者。

辦公/住家聯(lián)網(wǎng)裝置數(shù)量飆升　Wi-Fi帶寬漸不敷使用

目前為止，問題看起來似乎不大，但不久之后，仍將會(huì)遇到問題。為什么？因?yàn)槁?lián)網(wǎng)裝置持續(xù)不斷增加中。此外，現(xiàn)在提供給使用者的內(nèi)容也耗用更多的帶寬。幾年前，還未聽聞在手機(jī)上可以觀看串流視訊，現(xiàn)在卻是隨處可見。視訊會(huì)議、整合通訊、線上教學(xué)與其他需要大量帶寬的內(nèi)容，在工作場(chǎng)所的使用頻率都將持續(xù)增加。

事實(shí)上，家中的Wi-Fi連線速度不久后，可能會(huì)變得像機(jī)場(chǎng)休息室一樣緩慢。每部新的平板電腦、串流媒體裝置、雙模智能型手機(jī)、聯(lián)網(wǎng)恒溫控制器、智能型燈 泡、聯(lián)網(wǎng)冰箱等，都將使家中的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)開始變得像是機(jī)場(chǎng)的熱點(diǎn)，如同可能要整天坐在跑道上等待起飛。然而，現(xiàn)在只是在聯(lián)網(wǎng)家庭浪潮的開端。主要消費(fèi) 性電子產(chǎn)品與電腦公司，包括蘋果(Apple)、微軟(Microsoft)及Google皆已推出家庭聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，形形色色的產(chǎn)品讓人目不暇給，從漏水感 測(cè)器、聯(lián)網(wǎng)燈泡到智能鎖，使用者皆可透過手機(jī)上鎖與開鎖。由于有如此多的裝置分食帶寬，目前的Wi-Fi技術(shù)很快就會(huì)無法應(yīng)付。

受限單一使用者設(shè)計(jì)　802.11ac帶寬仍顯不足

所 幸，新的802.11標(biāo)準(zhǔn)802.11ac已蓄勢(shì)待發(fā)，將協(xié)助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商滿足上述所有裝置的需求。802.11ac的第一代比802.11n來得更 快，許多廠商將它稱為Gigabit Wi-Fi。802.11ac的速度最高可達(dá)802.11n的三倍，可透過八個(gè)串流提供最大6.9Gbit/s實(shí)體層尖峰傳輸速率。它采用帶寬更大的 160MHz頻道，且在較不擁擠的5GHz頻譜中運(yùn)作。

第一批802.11ac用戶端裝置(高階筆電、智能型手機(jī)與平板電 腦)及數(shù)款路由器于2012年年中問世。用戶能享受近乎Gigabit的速度及更優(yōu)質(zhì)的整體使用體驗(yàn)。雖然802.11ac的第一代提升了速度、減少干擾 問題，甚至提供長(zhǎng)時(shí)間電池續(xù)航力，但仍未解決802.11早期版本的設(shè)計(jì)缺陷限制單一使用者障礙?；旧?，802.11專為同一時(shí)間與一部終端裝置進(jìn)行通 訊而設(shè)計(jì)。但是，如同研究交通阻塞的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在城市新增道路并無法解決塞車問題(因?yàn)闀?huì)有更多人開始開車)，帶寬也是如此。隨著帶寬增加，消費(fèi)者將找 出方法，充分利用帶寬。畢竟六七年前沒有人會(huì)在手機(jī)上看影片。現(xiàn)在，人人皆如此。

如上所述，雖然第一代802.11ac AP的設(shè)計(jì)確實(shí)整合了MIMO天線，但仍僅提供單一用戶MIMO(SU-MIMO)功能。結(jié)果，擁塞的AP使用者將遇到持續(xù)緩沖、緩慢的頁(yè)面載入時(shí)間及其他效能問題。

MU-MIMO添助力　802.11ac網(wǎng)絡(luò)不塞車

這 是因?yàn)檫B接至SU-MIMO AP的裝置每次只有一小段時(shí)間可獨(dú)自存取AP帶寬，之后AP將繼續(xù)提供服務(wù)給下一個(gè)裝置。若是不會(huì)擁塞的AP及強(qiáng)大的終端裝置(具備MIMO接收器的終端 裝置，例如高階筆電)，此方法可順利運(yùn)作。使用多重串流的筆電可利用AP提供的多重串流。問題是，大多數(shù)AP所連接的裝置是單一串流裝置，通常是平板電腦 與智能型手機(jī)，公共空間的AP更是如此。

如果擁有一部SU-MIMO、3或4串流的802.11ac AP，服務(wù)多部單一或多重串流用戶端裝置，毫無效率可言。AP在任何特定時(shí)間片段都有大量未使用的帶寬。由于每部裝置將依序獲得服務(wù)，僅僅運(yùn)用AP總帶寬 中一部分帶寬的單一串流裝置，最終將支配該串流，并將其他裝置被隔絕在外。在機(jī)場(chǎng)休息室與咖啡廳等擁塞的場(chǎng)所，再昂貴的高階筆電中的芯片組，也將受累于周 遭各種裝置內(nèi)的廉價(jià)芯片組，因?yàn)檫@些裝置帶寬有限。可見目前的Wi-Fi技術(shù)顯然不理想。

所幸，802.11ac第二代 (802.11ac 2.0)應(yīng)能解決此問題，因?yàn)樗鼘⒕邆涠嘀厥褂谜進(jìn)IMO(MU-MIMO)、4串流組態(tài)，以及最高160MHz頻道等功能。透過MU-MIMO，來自蜂 巢式通訊技術(shù)的概念將可運(yùn)用于Wi-Fi AP。令人好奇的是，為什么花這么長(zhǎng)的時(shí)間才解決此問題？但別忘了，電信公司須耗費(fèi)數(shù)百萬美元才能建置基地臺(tái)設(shè)備，而花在家用路由器的費(fèi)用頂多不過幾百美元。

不過，由于電腦仍遵循摩爾定律(Moores Law)發(fā)展，無線芯片組的效能將持續(xù)快速提升，而價(jià)格則持續(xù)下降。采用MIMO天線僅能增加提供單一終端裝置的資料串流數(shù)，MU-MIMO 802.11ac AP卻可同時(shí)為多部用戶端提供資料串流。關(guān)鍵在于MU-MIMO AP可將具有MU-MIMO功能的用戶端群聚在單一傳輸槽，而非在用戶端之間不斷來回移動(dòng)。例如，使用4×4 MU-MIMO的AP，若將三個(gè)用戶端群聚在相同的槽，將能大幅提升Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)效率，而且AP將可支持更多的用戶端，并為所有用戶端提供高傳輸速率。

采用波束成型技術(shù)　MU-MUMO天線更智慧

波束成型是802.11ac第二代的主要技術(shù)。波束成型是 一種信號(hào)處理技術(shù)，讓導(dǎo)引信號(hào)(或接收信號(hào))更加妥善。這項(xiàng)概念并不難懂，小孩也能理解，甚至在池塘丟幾顆石子，稍加思索便也能明白。丟入第一顆石子制造 波浪，波浪會(huì)以圓形向外擴(kuò)散，但丟入第二顆石子時(shí)，有些波浪會(huì)聚合，密度會(huì)立即提高，有些波浪會(huì)互相干擾并相互抵消。

波束成型的概念可應(yīng)用于無線通訊和不同的領(lǐng)域，例如雷達(dá)、地震學(xué)、電波天文學(xué)，甚至是生物醫(yī)學(xué)。將波束成型應(yīng)用于MU-MIMO AP，可使AP將其信號(hào)優(yōu)先引導(dǎo)至特定接收器，如此可提高訊噪比，并加快連線的速度(圖1)。

圖1　SU-MIMO與MU-MIMO信號(hào)廣播方式比較

在 當(dāng)今常見的802.11n AP中，可使用多重空間串流的能力被視為技術(shù)創(chuàng)新。然而，雖然這些功能可提升傳輸速率，卻只能同一時(shí)間服務(wù)一位使用者，再將各個(gè)串流導(dǎo)向至終端裝置?；?上，當(dāng)802.11n AP上有一個(gè)串流正在使用時(shí)，其他串流便處于休眠狀態(tài)。同樣道理，這就有如在跑道上等待飛機(jī)降落，然后才能起飛。

若使用具備波束成型技術(shù)的MU-MIMO，串流干擾并不是大問題，因此AP最多能夠?qū)⑺膫€(gè)空間串流同時(shí)傳送至四個(gè)不同的裝置。實(shí)際上，具備四支天線的裝置只 能同時(shí)與三部裝置進(jìn)行通訊。為確保良好的效能，所需的天線數(shù)量應(yīng)比用戶端總數(shù)多出一支。亦即四支天線用于三部終端裝置，以此類推。其運(yùn)作方式是AP群聚所 有裝置并為裝置各配置一個(gè)專屬串流，隨時(shí)確保各用戶端的帶寬。為保持串流分隔，AP將使用波束成型技術(shù)將各個(gè)傳輸引導(dǎo)至正確的接收器。

為了讓上述概念正常運(yùn)作，AP必須具備智慧，以確保不同串流上的用戶端裝置之間有足夠的間隔距離，以避免其相互干擾(如上述將石頭丟入池塘的例子)。僅透過 此技術(shù)，即可擴(kuò)增三倍AP的傳輸能力(圖2)。802.11ac AP若采用MU-MIMO(并非所有AP皆采用此技術(shù))可獲得其他優(yōu)點(diǎn)，包括更寬廣的頻道。802.11ac 2.0將以80MHz及160MHz提供兩個(gè)新的頻道。當(dāng)然，使用更寬廣的頻道將可提升速度。

圖2　MU-MIMO能提升較SU-MIMO約三倍的聯(lián)網(wǎng)效能。

MU-MIMO革新Wi-Fi效能　聯(lián)網(wǎng)生活增添無限想象

現(xiàn)在，許多消費(fèi)者認(rèn)為帶寬無法滿足其無線裝置的需求。對(duì)于網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)者而言，使用者最常抱怨網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)服務(wù)過于緩慢。根據(jù)英國(guó)通訊產(chǎn)業(yè)獨(dú)立監(jiān)管與競(jìng)爭(zhēng)管理機(jī)構(gòu)Ofcom的研究顯示，對(duì)英國(guó)網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)者的抱怨中，有五分之一是寬頻網(wǎng)絡(luò)速度過慢的情形。

目前典型的聯(lián)網(wǎng)家庭擁有約七部具備Wi-Fi上網(wǎng)功能的裝置。根據(jù)加拿大經(jīng)濟(jì)合作暨發(fā)展組織的估計(jì)，至2020年為止，擁有兩個(gè)小孩的家庭無線裝置數(shù)量將大幅上升至五十部。

雖然聯(lián)網(wǎng)家庭只是未來“聯(lián)網(wǎng)生活”時(shí)代的一部分，但消費(fèi)者將在家中、工作、外出及城市中、旅行、購(gòu)物時(shí)，乃至于任何前往地點(diǎn)都在進(jìn)行無線聯(lián)網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)工作將包 括我們已熟悉的事物，例如行動(dòng)電子郵件、攜帶自有裝置以及企業(yè)行動(dòng)應(yīng)用程序，同時(shí)亦將涵蓋庫(kù)存的位置追蹤、人員定位器以及行動(dòng)專案協(xié)同合作工具。

Frost Sullivan進(jìn)一步預(yù)測(cè)至2025年時(shí)，聯(lián)網(wǎng)生活的崛起將使全球出現(xiàn)三十七億支智能型手機(jī)、七億臺(tái)平板電腦、五億兩千萬個(gè)穿戴式健康相關(guān)裝置，以及四 億一千萬個(gè)智能型設(shè)備。然而，即將以機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)通訊為主的物聯(lián)網(wǎng)革命將改變這一切。想想看，有多少事情可在無人為介入的情況下完成。家中的感測(cè) 器可偵測(cè)到無人在家，然后自動(dòng)調(diào)降恒溫控制器的溫度。車輛最終也將能夠與智能型停車計(jì)費(fèi)表進(jìn)行通訊，透過車輛的電訊服務(wù)供應(yīng)商支付停車費(fèi)(例如美國(guó)的 OnStar)。在用電尖峰時(shí)段，智慧電表可自動(dòng)關(guān)閉耗電量高的設(shè)備，例如洗碗機(jī)與洗衣機(jī)。Wi-Fi已是快速成長(zhǎng)的M2M市場(chǎng)的關(guān)鍵要素，而有如此多的 裝置競(jìng)相使用帶寬，需要更具智能、傳輸速率更高的網(wǎng)絡(luò)。

考慮家中或辦公室Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的未來需求時(shí)，應(yīng)記住這最后一項(xiàng)考慮 因素裝置須具備802.11ac與MU-MIMO以達(dá)到其真正的潛力。尋找基礎(chǔ)架構(gòu)裝置時(shí)，具備MU-MIMO的802.11ac將迅速成為企業(yè)AP、家 用路由器與閘道器的標(biāo)準(zhǔn)。但是，用戶端裝置需要花較長(zhǎng)的時(shí)間才能跟上此趨勢(shì)，因此部分串流可能仍會(huì)專屬于SU-MIMO用戶端。即使如此，MU-MIMO 亦將有利于傳統(tǒng)的SU-MIMO用戶端。由于可為MU-MIMO用戶端提供二至三倍的效能，因此網(wǎng)絡(luò)上將有更多的可用時(shí)間與可用容量提供給SU-MIMO 裝置使用。 評(píng)估新的智能型手機(jī)、新的平板電腦，甚至是汽車的聯(lián)網(wǎng)能力時(shí)，若能優(yōu)先選擇MU-MIMO裝置，將能推動(dòng)MU-MIMO芯片組的采用；另一方面，若消費(fèi)者 可將MU-MIMO列為采購(gòu)行動(dòng)裝置時(shí)的優(yōu)先選擇，而非其他項(xiàng)目如最新的相機(jī)技術(shù)，將可促進(jìn)此技術(shù)的采用曲線。