802.11ac第二代采用波束成型技术 MU-MUMO天线更智慧

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当今的网络世界，商务人士必须在返回办公室之前就开始工作。此时，他必须连上最近的无线区域网络(Wi-Fi) 热点，然后等待、等待、再等待。这种经验是家常便饭，或许可以称之为“Wi-Fi挫折症候群”。有几点原因造成此问题。在大多数情况，网络设计者安装的存 取点(AP)过少，以至于无法服务许多使用者。有时候，即使有足够的AP，带宽依旧无法满足使用者的需求。如同跑道同一时间仅能容纳一架飞机，AP同一时 间也仅能与一部装置进行通讯。它们看似能够服务多位使用者，其实是因为它们分割时间，并来回分配给不同的使用者。
           
          因此，使用 者最后经常体验到持续的缓冲、延迟及断线。即使采用先进技术，例如多重输入多重输出(MIMO)天线，就算情况改善，也会因为单一使用者(Single User)的设计而受限。如同必须在机场增加跑道，才能在任何特定时间允许更多飞机起降一样，AP也需要更多的空间串流以同时服务一部以上的装置。不过 MIMO无法达到此目的。MIMO确实可透过多支天线，提供更强且更具指向性的信号，但假使AP拥塞，信号再强大也无法提供优异的使用者体验，因为AP同 一时间还是只能服务一个使用者。
           
          办公/住家联网装置数量飙升　Wi-Fi带宽渐不敷使用
          目前为止，问题看起来似乎不大，但不久之后，仍将会遇到问题。为什么？因为联网装置持续不断增加中。此外，现在提供给使用者的内容也耗用更多的带宽。几年前，还未听闻在手机上可以观看串流视讯，现在却是随处可见。视讯会议、整合通讯、线上教学与其他需要大量带宽的内容，在工作场所的使用频率都将持续增加。
           
          事实上，家中的Wi-Fi连线速度不久后，可能会变得像机场休息室一样缓慢。每部新的平板电脑、串流媒体装置、双模智能型手机、联网恒温控制器、智能型灯 泡、联网冰箱等，都将使家中的Wi-Fi网络开始变得像是机场的热点，如同可能要整天坐在跑道上等待起飞。然而，现在只是在联网家庭浪潮的开端。主要消费 性电子产品与电脑公司，包括苹果(Apple)、微软(Microsoft)及Google皆已推出家庭联网产品，形形色色的产品让人目不暇给，从漏水感 测器、联网灯泡到智能锁，使用者皆可透过手机上锁与开锁。由于有如此多的装置分食带宽，目前的Wi-Fi技术很快就会无法应付。
           
          受限单一使用者设计　802.11ac带宽仍显不足
          所 幸，新的802.11标准802.11ac已蓄势待发，将协助网络设备制造商满足上述所有装置的需求。802.11ac的第一代比802.11n来得更 快，许多厂商将它称为Gigabit Wi-Fi。802.11ac的速度最高可达802.11n的三倍，可透过八个串流提供最大6.9Gbit/s实体层尖峰传输速率。它采用带宽更大的 160MHz频道，且在较不拥挤的5GHz频谱中运作。
           
          第一批802.11ac用户端装置(高阶笔电、智能型手机与平板电 脑)及数款路由器于2012年年中问世。用户能享受近乎Gigabit的速度及更优质的整体使用体验。虽然802.11ac的第一代提升了速度、减少干扰 问题，甚至提供长时间电池续航力，但仍未解决802.11早期版本的设计缺陷限制单一使用者障碍。基本上，802.11专为同一时间与一部终端装置进行通 讯而设计。但是，如同研究交通阻塞的科学家发现，在城市新增道路并无法解决塞车问题(因为会有更多人开始开车)，带宽也是如此。随着带宽增加，消费者将找 出方法，充分利用带宽。毕竟六七年前没有人会在手机上看影片。现在，人人皆如此。
           
          如上所述，虽然第一代802.11ac AP的设计确实整合了MIMO天线，但仍仅提供单一用户MIMO(SU-MIMO)功能。结果，拥塞的AP使用者将遇到持续缓冲、缓慢的页面载入时间及其他效能问题。
           
          MU-MIMO添助力　802.11ac网络不塞车
          这 是因为连接至SU-MIMO AP的装置每次只有一小段时间可独自存取AP带宽，之后AP将继续提供服务给下一个装置。若是不会拥塞的AP及强大的终端装置(具备MIMO接收器的终端 装置，例如高阶笔电)，此方法可顺利运作。使用多重串流的笔电可利用AP提供的多重串流。问题是，大多数AP所连接的装置是单一串流装置，通常是平板电脑 与智能型手机，公共空间的AP更是如此。
           
          如果拥有一部SU-MIMO、3或4串流的802.11ac AP，服务多部单一或多重串流用户端装置，毫无效率可言。AP在任何特定时间片段都有大量未使用的带宽。由于每部装置将依序获得服务，仅仅运用AP总带宽 中一部分带宽的单一串流装置，最终将支配该串流，并将其他装置被隔绝在外。在机场休息室与咖啡厅等拥塞的场所，再昂贵的高阶笔电中的芯片组，也将受累于周 遭各种装置内的廉价芯片组，因为这些装置带宽有限。可见目前的Wi-Fi技术显然不理想。
           
          所幸，802.11ac第二代 (802.11ac 2.0)应能解决此问题，因为它将具备多重使用者MIMO(MU-MIMO)、4串流组态，以及最高160MHz频道等功能。透过MU-MIMO，来自蜂 巢式通讯技术的概念将可运用于Wi-Fi AP。令人好奇的是，为什么花这么长的时间才解决此问题？但别忘了，电信公司须耗费数百万美元才能建置基地台设备，而花在家用路由器的费用顶多不过几百美元。
           
          不过，由于电脑仍遵循摩尔定律(Moore"s Law)发展，无线芯片组的效能将持续快速提升，而价格则持续下降。采用MIMO天线仅能增加提供单一终端装置的资料串流数，MU-MIMO 802.11ac AP却可同时为多部用户端提供资料串流。关键在于MU-MIMO AP可将具有MU-MIMO功能的用户端群聚在单一传输槽，而非在用户端之间不断来回移动。例如，使用4×4 MU-MIMO的AP，若将三个用户端群聚在相同的槽，将能大幅提升Wi-Fi网络效率，而且AP将可支持更多的用户端，并为所有用户端提供高传输速率。
        采用波束成型技术　MU-MUMO天线更智慧
          波束成型是802.11ac第二代的主要技术。波束成型是 一种信号处理技术，让导引信号(或接收信号)更加妥善。这项概念并不难懂，小孩也能理解，甚至在池塘丢几颗石子，稍加思索便也能明白。丢入第一颗石子制造 波浪，波浪会以圆形向外扩散，但丢入第二颗石子时，有些波浪会聚合，密度会立即提高，有些波浪会互相干扰并相互抵消。
           
          波束成型的概念可应用于无线通讯和不同的领域，例如雷达、地震学、电波天文学，甚至是生物医学。将波束成型应用于MU-MIMO AP，可使AP将其信号优先引导至特定接收器，如此可提高讯噪比，并加快连线的速度(图1)。
           

       
        图1　SU-MIMO与MU-MIMO信号广播方式比较

           
          在 当今常见的802.11n AP中，可使用多重空间串流的能力被视为技术创新。然而，虽然这些功能可提升传输速率，却只能同一时间服务一位使用者，再将各个串流导向至终端装置。基本 上，当802.11n AP上有一个串流正在使用时，其他串流便处于休眠状态。同样道理，这就有如在跑道上等待飞机降落，然后才能起飞。
           
          若使用具备波束成型技术的MU-MIMO，串流干扰并不是大问题，因此AP最多能够将四个空间串流同时传送至四个不同的装置。实际上，具备四支天线的装置只 能同时与三部装置进行通讯。为确保良好的效能，所需的天线数量应比用户端总数多出一支。亦即四支天线用于三部终端装置，以此类推。其运作方式是AP群聚所 有装置并为装置各配置一个专属串流，随时确保各用户端的带宽。为保持串流分隔，AP将使用波束成型技术将各个传输引导至正确的接收器。
           
          为了让上述概念正常运作，AP必须具备智慧，以确保不同串流上的用户端装置之间有足够的间隔距离，以避免其相互干扰(如上述将石头丢入池塘的例子)。仅透过 此技术，即可扩增三倍AP的传输能力(图2)。802.11ac AP若采用MU-MIMO(并非所有AP皆采用此技术)可获得其他优点，包括更宽广的频道。802.11ac 2.0将以80MHz及160MHz提供两个新的频道。当然，使用更宽广的频道将可提升速度。
           

       
        图2　MU-MIMO能提升较SU-MIMO约三倍的联网效能。

           
          MU-MIMO革新Wi-Fi效能　联网生活增添无限想象
          现在，许多消费者认为带宽无法满足其无线装置的需求。对于网际网络服务业者而言，使用者最常抱怨网际网络服务过于缓慢。根据英国通讯产业独立监管与竞争管理机构Ofcom的研究显示，对英国网际网络服务业者的抱怨中，有五分之一是宽频网络速度过慢的情形。
           
          目前典型的联网家庭拥有约七部具备Wi-Fi上网功能的装置。根据加拿大经济合作暨发展组织的估计，至2020年为止，拥有两个小孩的家庭无线装置数量将大幅上升至五十部。
           
          虽然联网家庭只是未来“联网生活”时代的一部分，但消费者将在家中、工作、外出及城市中、旅行、购物时，乃至于任何前往地点都在进行无线联网。联网工作将包 括我们已熟悉的事物，例如行动电子邮件、携带自有装置以及企业行动应用程序，同时亦将涵盖库存的位置追踪、人员定位器以及行动专案协同合作工具。
           
          Frost & Sullivan进一步预测至2025年时，联网生活的崛起将使全球出现三十七亿支智能型手机、七亿台平板电脑、五亿两千万个穿戴式健康相关装置，以及四 亿一千万个智能型设备。然而，即将以机器对机器(M2M)通讯为主的物联网革命将改变这一切。想想看，有多少事情可在无人为介入的情况下完成。家中的感测 器可侦测到无人在家，然后自动调降恒温控制器的温度。车辆最终也将能够与智能型停车计费表进行通讯，透过车辆的电讯服务供应商支付停车费(例如美国的 OnStar)。在用电尖峰时段，智慧电表可自动关闭耗电量高的设备，例如洗碗机与洗衣机。Wi-Fi已是快速成长的M2M市场的关键要素，而有如此多的 装置竞相使用带宽，需要更具智能、传输速率更高的网络。
           
          考虑家中或办公室Wi-Fi网络的未来需求时，应记住这最后一项考虑 因素装置须具备802.11ac与MU-MIMO以达到其真正的潜力。寻找基础架构装置时，具备MU-MIMO的802.11ac将迅速成为企业AP、家 用路由器与闸道器的标准。但是，用户端装置需要花较长的时间才能跟上此趋势，因此部分串流可能仍会专属于SU-MIMO用户端。即使如此，MU-MIMO 亦将有利于传统的SU-MIMO用户端。由于可为MU-MIMO用户端提供二至三倍的效能，因此网络上将有更多的可用时间与可用容量提供给SU-MIMO 装置使用。 评估新的智能型手机、新的平板电脑，甚至是汽车的联网能力时，若能优先选择MU-MIMO装置，将能推动MU-MIMO芯片组的采用；另一方面，若消费者 可将MU-MIMO列为采购行动装置时的优先选择，而非其他项目如最新的相机技术，将可促进此技术的采用曲线。