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    Wi-Fi 6 新制式面世 超簡單講解背後 802.11ax 技術

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    呀粗
    覺得科技很有趣,努力增補電腦知識中。喜歡儲設計精美的電腦產品包裝盒。

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    802.11ac Wi-Fi 制式已推出數年,市場上的型號百花齊放,有的支援 Triple Band 三頻,傳輸速度規格還達至 5,300Mbps ,理論值更達 6,936Mbps!不過怎麼實際傳輸速度永遠沒那麼高?就算撇除寬頻瓶頸,於內聯網用 2 台 4T4R ac / Wi-Fi 5 制式的裝置溝通,都還是達不到 1,734Mbps,仍受牆壁阻隔、空氣中各種訊號干擾等多個因素影響;而慢速的 Wi-Fi 於多裝置的 IoT 智能家居,或人數密集的公共地方,問題就更為嚴重。幸好 Wi-Fi Alliance 現在就正式宣布推出 9.6Gbps 的 Wi-Fi 6 規格,即是所謂的 802.11ax 新 Wi-Fi 制式(改稱 Wi-Fi 6 而非 ax 的原因請見此),究竟新的 802.11ax / Wi-Fi 6 能否大幅提升實質連線速度呢?太過深奧的白皮書技術,小編呀粗就不在此贅述了,因為我也看到頭昏腦脹哈哈,不如就用最簡單的文字介紹 ax 制式的要點吧!

    AX Wi-Fi 可同時服務多台裝置,更適合未來的 IoT 智能家居。Source:Netgear
    ax Wi-Fi 可同時服務多台裝置,更適合未來的 IoT 智能家居。Source:Netgear

    1. OFDMA – 提升每人平均速度

    OFDMA 絕對是 802.11ax 的重點!不過這個 5 個英母也相當難記,全寫為 Orthogonal Frequency Division Multiple Access ,是來取代過往 ac 制式的 OFDM ,即 Orthogonal Frequency Division Multiplexing 。看全寫其實也很難明白是甚麼,簡單來説可想像 Wi-Fi 數據傳輸就像列車載人,人即數據。在 ac 舊制式的 OFDM 下,要運載 3 個隊伍的人,就要分別使用 3 輛列車來載綠隊、紫隊和金隊,而且也要等金隊列車走了,紫隊才可坐下一班列車起行傳輸,令中間有延遲( Latency )。另外你看金隊的人數比較少,即代表列車還有許多空位,何不載多點人呢?這可比喻有 3 個用戶要傳輸數據,同一時間只有一部裝置傳輸,還要逐個輪候傳輸,而且音訊的數據量較影片串流少,並沒有盡用頻寬。

    OFDMA 能在同一時間傳輸來自不同裝置的資料。Source:Wi-Fi Alliance
    OFDMA 能在同一時間傳輸來自不同裝置的資料。Source:Wi-Fi Alliance

    ax 新制式的 OFDMA 就解決這個問題,令不同用戶的數據都可同時傳輸,毋需等候。做法就是把一輛列車分成最多 9 行座位( 20MHz 頻寬),令不同隊伍的人都可坐在同一輛列車,那麼金隊、紫隊和綠隊都可有成員登上首班車,盡快先運送部分成員,比 OFDM 更早有成員抵達目的地;而且列車也坐滿人,更善用資源。這就如 OFDMA 把頻道割成多個小份( Resource Unit ),讓多位用戶都可率先進行傳輸,提升每人的平均速率,又能減少傳輸的 Overhead(準備不同列車及司機),令上載 Uplink 及下載 Downlink 的傳輸都更有效率,亦可降低延遲,對多人上網的環境尤為有效。

    以往一輛貨車載不滿,但 OFDMA 就可在同一輛車載不同用戶的貨物,更善用資源。
    以往一輛貨車載不滿,但 OFDMA 就可在同一輛車載不同用戶的貨物,更善用資源。 Source:Qorvo / Qualcomm

    2. Uplink MU-MIMO – 有利多台裝置的環境

    太好了!終於有個較熟悉的詞彙了~相信很多讀者都知道 MU-MIMO 是甚麼,長寫為 Multiple User – Multiple Input Multiple Output 。很多 ac 的 Router 都支援 MU-MIMO ,同一時間可與多台裝置進行傳輸,例如 Router 具備 4 個 Spatial Streams( 1,734Mbps@5GHz ),就同時服務最多 4 台 433Mbps 單一 Spatial Stream(SS)的裝置,或者 1 台 867Mbps 裝置(2SS)加 2 台 433Mbps 裝置,總之用盡 4 個 SS 。相反,舊的 SU-MIMO 就不能同時用盡所有 Spatial Streams ,例如當 1 台 433Mbps 連接、佔用 1 個 SS ,其餘 3 個 SS 就變為閒置,不能服務其他裝置,導致多人上網時,速度就變慢。

    SU-MIMO 只可同時服務一台裝置,而 MU-MIMO 就可同時服務多台裝置。
    SU-MIMO 只可同時服務一台裝置,而 MU-MIMO 就可同時服務多台裝置。Source:Spirent Blogs

    以前 ac 制式的 MU-MIMO 只用於下行 Downlink 傳輸,即是上一層網絡設備(如 Router)把數據傳送至下一層裝置。而新的 ax 制式就連上行 Uplink ,即裝置把數據「上載」至 Router ,都支援 MU-MIMO 了。而且 MU-MIMO 也由 ac 的 4SS ,變成支援 ax 的 8SS 。

    3. 最高速度每秒 9.6Gigabits – 速度比 AC 提升近 40%

    剛才也說到,以往的 ac 制式最多支援 4 個 Spatial Stream(可簡單理解為天線數量),不過去到後來推出的 ac Wave 2 就增至 8 個 Spatial Stream ,使 ac 的最高速度理論值為 6,933Mbps( 160MHz, 8SS )。而新的 ax 制式也維持採用 8 個 Spatial Stream ,不過單一 Spatial Stream 的速度就由 ac 的 433Mbps( 80MHz )增至 600.4Mbps ( 80MHz )。如果計 160MHz 的話, ax 的單一 SS 可達 1,201Mbps ,再乘以 8SS,最高速度更可達 9,607.8Mbps ,接近 10Gbpsc!雖然真實環境還有很多因素影響,例如空氣中有其他訊號干擾、有牆壁阻隔等等,令實質速度不會達至最高理論值,不過 ax 制式加入了 OFDMA 等技術,專家認為實際的 Throughput 還是比 ac 年代提升不少。

    AC 和 AX 速度比較。Source:ni.com
    ac 和 ax 速度比較。Source:ni.com

    此外,舊的 802.11ac 是採用 256QAM 調變方式,而 802.11ax 則支援 1024QAM ,令 Wi-Fi 的載波數據點變得更密集,就像有更多個速遞員派貨,令傳輸數據的速度比 256QAM 快 25% 。

    相比 256QAM , 1024QAM 的載波數據點較為密集,可傳輸更多數據,令速度比 256QAM 快 25%。Source:Qorvo
    相比 256QAM , 1024QAM 的載波數據點較為密集,可傳輸更多數據,令速度比 256QAM 快 25% 。Source:Qorvo

    4. BSS Coloring – 更善用頻譜

    一直以來, Wi-Fi 傳輸都是採用 CSMA / CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機制,每次傳送數據之前,會「聽」一下究竟傳播媒介有沒有其他 Wi-Fi AP 也在傳輸資料,就好像看看馬路上有沒有其他車。如果有的話,為防干擾和衝突, AP 就會把媒介定為忙碌狀態,需要等待沒有其他 AP 傳輸、媒介「寂靜無人」、馬路通行無阻才開始傳送資料。

    簡說 CSMA 機制。Source:rfwireless-world.com
    簡說 CSMA 機制。Source:rfwireless-world.com

    而 802.11ax 加入的 BSS Coloring「著色機制」就可改善問題,即使在一個具備非常多 AP 的密集環境,如辦公室或展覽館,有很多 AP 使用同一個 Channel 傳輸,使媒介很擠迫,每個 AP 也毋需等候那麼久。因為在 ax 制式下, ax 裝置每次傳送資料,都會在資料的 Header(如寄送包裹,箱上也有一張紙寫著地址等資料,即 Header )加入一個 6-Bit 的 BSS Color 欄,來代表「顏色」。這個 BSS Color 會寫著要傳送到哪個 BSS( Basic Service Set,可簡單想成 Wi-Fi 組別 / Wi-Fi SSID ),假設是 000001 紅色,當資料抵達同是紅組的 AP / Wi-Fi Router 時, AP 就會處理這個由裝置傳過來的包裹。假設這個 AP 聽到媒介有車運送包裹,而包裹寫的 BSS Color 是 000111 藍色( OBSS、Overlapping BSS ,用同一 Channel 但不同組別),即使媒介有車行駛, AP 也不會把媒介定為繁忙,因為藍色並非 AP 用的紅色。所以在這情況下, AP 也照樣可以傳送資料,毋需等候,變相釋放更多時間使用媒介( Spatial Reuse / 空間復用技術)。

    AX 裝置傳輸資料時,會在 Header 標記 BSS Color。Source:Aerohive
    ax 裝置傳輸資料時,會在 Header 標記 BSS Color 。 Source:Aerohive

    假設在 Channel 36,圖中左上角的裝置要傳送資料,在 AC 舊制下,會聽到附近很多 Ch.36 的活動,因而暫止傳輸。但在 BSS Coloring 下,它會忽略黃、綠、紫色的 Ch. 36 干擾,照傳給黑色 Ch. 36。Source:Aerohive
    假設在 Channel 36,圖中左上角的裝置要傳送資料,在 ac 舊制下,會聽到附近很多 Ch.36 的活動,因而暫止傳輸。但在 BSS Coloring 下,它會忽略黃、綠、紫色的 Ch. 36 干擾,照樣傳給黑色 Ch. 36。Source:Aerohive

    5. Target Wake Time – 令 IoT 裝置更省電

    除了提升手機及電腦的連線速度外,隨著 IoT 裝置愈趨流行,例如智能家居有智能燈膽、智能電飯煲、 IP Cam 、各種感應器等等, 802.11ax 亦針對 IoT 裝置提供改善方案。 802.11ax 就加入了 Target Wake Time( TWT )機制,讓 AP 與 20MHz 的低速 IoT 裝置協商,究竟裝置會在何時傳送及接收資料,並在「時間表」記下這個「傳輸時段」。當現在不是傳輸時間, IoT 裝置便會「休眠」省電。而且 AP 也可排好時間表,確保 IoT 裝置「醒來」傳輸時,沒有其他 IoT 裝置撞時間一起傳輸,有效減少衝突。

    裝置與 AP 制定好 Target Wake Time 後,便可在非傳輸時休眠,更省電。Source:Qualcomm
    裝置與 AP 制定好 Target Wake Time 後,便可在非傳輸時休眠,更省電。Source:Qualcomm

    Conclusion

    雖然受著多個因素影響,新的 802.11ax 技術的實際傳輸速度也不會達至 9.6Gbps ,不過有了以上 5 項特色,相信 ax 的 Throughput 必定比 ac 快得多。順帶一提, Wi-Fi Alliance 已把 802.11ax 命名為 Wi-Fi 6,不論是 Router 包裝盒還是產品宣傳,都應標榜著 Wi-Fi 6,並不能在包裝盒大大個字寫著 802.11ax ,因為 802.11ax 的「地位」屬於 Wi-Fi 6 背後的技術,不能作正式面向消費者的名字。 Wi-Fi 6 的家用 Router 應該會在 10、11 月正式發售,屆時再為大家介紹吧。

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    以後見到 Wi-Fi 6,即是 802.11ax 的意思。Source:Wi-Fi Alliance
    以後見到 Wi-Fi 6,即是 802.11ax 的意思。Source:Wi-Fi Alliance

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    很多品牌都早已在展覽展示過新的 AX 制式 Router,不過至今都尚未在市場發售。(圖為 ASUS RT-AX88U)
    很多品牌都早已在展覽展示過新的 ax 制式 Router,不過至今都尚未在市場發售。(圖為 ASUS RT-AX88U )

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