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，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。如同跑道同一時間僅能容納一架飛機(jī)，AP同一時 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，也會因?yàn)閱我皇褂谜撸⊿ingle User）的設(shè)計而受限。如同必須在機(jī)場增加跑道，才能在任何特定時間允許更多飛機(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，但假使AP擁塞，信號再強(qiáng)大也無法提供優(yōu)異的使用者體驗(yàn)，因?yàn)锳P同 一時間還是只能服務(wù)一個使用者。
　　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，可能會變得像機(jī)場休息室一樣緩慢。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)很快就會無法應(yīng)付。
　　受限單一使用者設(shè)計　802.11ac帶寬仍顯不足
　　所 幸，新的802.11標(biāo)準(zhǔn)802.11ac已蓄勢待發(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，甚至提供長時間電池續(xù)航力，但仍未解決802.11早期版本的設(shè)計缺陷限制單一使用者障礙?；旧?，802.11專為同一時間與一部終端裝置進(jìn)行通 訊而設(shè)計。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懈嗳碎_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在手機(jī)上看影片?，F(xiàn)在，人人皆如此。
　　如上所述，雖然第一代802.11ac AP的設(shè)計確實(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、緩慢的頁面載入時間及其他效能問題。
　　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)給下一個裝置。若是不會擁塞的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)場休息室與咖啡廳等擁塞的場所，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)的廉價芯片組，因?yàn)檫@些裝置帶寬有限?？梢娔壳暗腤i-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，為什么花這么長的時間才解決此問題？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（Moore“s Law）發(fā)展，無線芯片組的效能將持續(xù)快速提升，而價格則持續(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。例如，使用4×4 MU-MIMO的AP，若將三個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 一種信號處理技術(shù)，讓導(dǎo)引信號（或接收信號）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，波浪會以圓形向外擴(kuò)散，但丟入第二顆石子時，有些波浪會聚合，密度會立即提高，有些波浪會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，卻只能同一時間服務(wù)一位使用者，再將各個串流導(dǎo)向至終端裝置?；?上，當(dāng)802.11n AP上有一個串流正在使用時，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€空間串流同時傳送至四個不同的裝置。實(shí)際上，具備四支天線的裝置只 能同時與三部裝置進(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專屬串流，隨時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提供兩個新的頻道。當(dāng)然，使用更寬廣的頻道將可提升速度。