WLAN技術再晉級 11n提升傳輸率/覆蓋範圍/可靠性

過去幾年，人們對無線區域網路(WLAN)硬體的需求顯著增長，WLAN很快從新奇的技術發展成為生活必需品。從2005年WLAN晶片組出貨量突破1億組大關，比2001年少於1,000萬組增長十多倍的情況，可說明WLAN市場的大幅成長。  

迄今，推動WLAN需求增長的消費群是在工作環境、家中或咖啡館、機場、酒店等公眾場所上網的筆記型電腦使用者。所以，WiFi技術最常見於筆記型電腦和網際網路接入裝置，如路由器、數位用戶迴路(DSL)或電纜數據機(Cable Modem)。實際上，現在銷售的筆記型電腦90%以上都內建WLAN功能。  

普及率的提高有助於將WiFi技術拓展到電腦以及消費性電子應用，如網路電話(VoIP)、網路音樂上下傳、遊戲、相簿欣賞和家庭視訊傳送。供全家欣賞的個人錄影機和其他音/視訊(A/V)儲存專用設備亦加速這一發展趨勢。  

新的用途再加上WLAN用戶的遞增，使得現有WiFi網路無法滿足既有市場。所幸，通訊產業已就802.11n的各組成部分達成協定。802.11n是一個WLAN新標準，承諾提供更高的資料傳輸率和可靠性，IEEE標準團體正在敲定該標準的最後細節，雖然預計該規範要到2007年才能最後定稿。  

在此同時，符合802.11n草案的硬體已開始上市，消費者可搶在標準之前建立高速無線網路，既保證高速相互操作性，同時可支援現有WLAN硬體。  

比較WLAN各種標準  

第一個被市場接受的WLAN標準是802.11b，該標準採用互補碼鍵控(CCK)的調變技術，提供最高11Mbit/s的資料傳輸速率，該標準還支援早期802.11規範的直接序列展頻(DSSS)。和802.11b標準差不多同時推出的802.11a標準採用更有效的傳輸方法─正交頻分多工 (OFDM)，支持最高54Mbit/s的資料傳輸速率，這正是802.11a的最高資料傳輸率。雖然802.11a有更高的資料傳輸率，但它依然沒有成為802.11b的接班人，因為它採用和802.11b不相容的射頻頻段5GHz，而802.11b採用2.4GHz。  

2003年6月，IEEE批准802.11g，該標準把OFDM調變技術用在2.4GHz頻段。它集合兩者的優點，在和802.11b相同的射頻頻段上提供最高54Mbit/s的資料傳輸率。基於802.11g的WLAN硬體很快受到尋求更高頻寬的消費者和企業青睞。事實上，消費者非常渴望能有一個替代 802.11b的高性能技術，以致他們在標準尚未最終定稿前一年左右就開始購買WLAN用戶端和接取點硬體。  

今天銷售的絕大多數電腦網路硬體都支援802.11g，隨著技術的進步，在同一晶片組中既支援2.4GHz又支持5GHz越來越容易、經濟，雙頻硬體也就越來越普通。事實上，目前可用的大量WLAN用戶端硬體都支援802.11a和802.11g。  

現在，和當初802.11g草案制定現象相似的情景又出現在802.11n上。在2006年初，業界達成有關高速802.11n標準所包含功能的實質性協議，雖然標準可能要到2007年才能批准，但是該規範已經十分確定，足以使符合11n草案規格的WiFi網路卡和路由器上市販售。  

802.11n規範多種選項功能  

先進的802.11n規範和以往WLAN標準的不同之處，在於它規定具有不同最大資料傳輸速率的多元選擇模式和配置(表1)。如此一來，該標準可同時為所有802.11n設備規定基本性能參數，亦可允許廠商增強或調整性能，以迎合多方應用和不同價位的需求。  

如果啟用所有可選項，802.11n可能會提供最高600Mbit/s的資料傳輸速率。不過符合該標準的WLAN硬體不必支援每一個選項。舉例來說，2006年部分符合11n草案的WLAN硬體可望支援最高300Mbit/s的資料傳輸速率。  

比較起來，每一款符合802.11b的產品必須支援最高11Mbit/s的資料傳輸率，所有802.11a和802.11g硬體必須支援最高54Mbit/s的資料傳輸率。  

改進OFDM技術  

802.11n草案的第一個規定是支援改進的OFDM，即用更高的最大碼率和略寬的頻寬改進802.11a/g標準所用的OFDM。這項改變可將最高資料傳輸速率從現行標準的54Mbit/s提高到65Mbit/s。  

MIMO改善WLAN性能  

在該草案規範中，廣為人知的MIMO技術利用多路徑(Multipath)的無線電波現象：被發送的資訊從牆壁、門和其他物體反射，通過不同路徑在略有不同的時間內多次到達接收天線。不受控制的多路徑使原始訊號失真，難以譯解，且降低WiFi的性能。MIMO利用空間分割多工(Space Division Multiplexing, SDM)技術導引多路徑。實際上發送資訊的WLAN設備把資料流程分割成空間流(Spatial Streams)的多個部分，每個空間流通過不同的天線被發送到接收端的相應天線。目前的802.11n草案規定最多分割四個空間流，但並不要求相容硬體支援這麼多。  

把空間流從一個加倍到兩個，可有效地將資料傳輸速率增強一倍。不過，也有些缺點，如功耗會增加，成本也會少量增加。11n草案規範包含MIMO省電模式，只有在網路通訊確實需要更高性能時才利用多路徑，以此降低功耗。同時，MIMO省電模式是11n草案規範的一個必備功能。  

增強MIMO性能  

11n草案規範有兩個功能是為改善MIMO性能而設計，一是波束成型(Beam-forming)，另一是分集(Diversity)。波束成型是一個把無線電訊號直接聚集、射向目標天線，進而降低干擾，以改善覆蓋範圍和性能的技術。分集則是利用多單元天線，假設天線在數量上多於接收空間流所需的天線，則把多個天線的輸出組合在一起或者選擇天線的最佳子集。這個功能非常重要，因為11n草案規範最多支援四個天線，所以設備可能會遇到裝有不同數量天線的其他設備。  

舉例來說，具備兩個天線的筆記型電腦可能會連接到具三個天線的接取點。在這個例子中，即使接取點能支持三個空間流，也只能用兩個空間流。  

有了分集，就可以善加利用多餘的天線。天線較多的設備可利用多餘的天線以覆蓋更大範圍。舉例來說，兩個天線的輸出可以組合起來接收一個空間流，以獲得更遠的傳輸距離。這個概念也可以擴展到把三個天線的輸出組合起來接收兩個空間流，獲得更高的資料傳輸率和覆蓋範圍。  

分集並不局限於802.11n，它可用於改善任何無線電通訊。事實上，分集已用在一些現有的802.11a、802.11b和802.11g硬體裡，用於選擇兩個天線中效能最好的。  

提高吞吐率和資料傳輸率  

802.11n草案的另一個可選模式是把WLAN通道頻寬從20MHz增至40MHz，因此可有效地把資料傳輸率提高一倍。這裡須要權衡的主要是供其他設備使用的通道會減少。2.4GHz頻段有足夠的空間容納三個不重疊的20MHz通道。當然，40MHz通道沒有為在同樣頻段加入網路或發送資訊的其他設備留出多少空間。這意味著智慧動態管理非常重要，為了保證40MHz通道選項能改善整個WLAN性能，就得在其他用戶端需要保持網路連接的情況下，衡量某些用戶端的高頻寬需求。  

本文初步介紹802.11n草案規範的眾多主要的強制性或可選功能，舉例來說，11n草案硬體的其他可選功能還有高吞吐率複製模式(High- throughput Duplicate Mode)和短保護區間(Short Guard Interval)，高吞吐率複製模式有助於擴大網路覆蓋範圍，短保護區間進一步降低系統管理開銷，以改善效率。  

有了所有可選模式和較低(Back-off)的替代選項，功能和相應資料傳輸率的可能組合多得令人吃驚。確切地說，目前的802.11n草案規定576個可能的資料傳輸率配置。而802.11g規定12個可能的資料傳輸率，802.11a和802.11b分別規定8個和4個，表2比較了IEEE 802.11的主要規範。  

多種標準WLAN共存  

802.11n草案規範是在之前的標準基礎上制定的，旨在保證與市場上的2億多個WiFi設備相容。11n草案接取點將透過5GHz頻段與802.11a 設備通訊，並透過2.4GHz頻段和802.11b及802.11g硬體通訊。除了設備之間的基本相互操作性外，802.11n還為混合模式提供高於 802.11g所提供的網路效能。  

基本上網路效能和發送資料的可用頻寬成正比，和管理網路通訊的系統開銷或協定成反比。無線環境比有線網路更難協調組織，因此通常需要更多的系統開銷，以確保發送的資料確實被收到，並保證其他用戶端在發送資料期間維持通道開放。  

由於存在802.11b節點，所以在2.4GHz頻段下通訊有些困難，因為較早的標準不認識802.11g和11n草案所用的OFDM。這意味著OFDM 用戶端如果想存在802.11b用戶端的環境通訊，至少須使用先前標準的通訊協定，才能保護更高速率的OFDM資料傳送。因為用802.11g和11n草案發送資料包所用的時間遠短於在802.11b標準下發送的時間，會大幅降低網路效能。  

11n草案規範中，改善混合模式性能的重要功能之一是聚集(Aggregation)。發送資料的用戶端不是發送單一資料框，而是封包數個資料框。因此，聚集通過提高發送資料的時間百分比而改善效率(圖1)。  

11n草案設備和802.11g、802.11a硬體共存要容易得多，因為它們都採用OFDM。雖然如此，規範仍有一些功能用於提高純OFDM網路的效率。精簡訊框(RIFS)就是這樣一個功能，可縮短資料傳輸間的延遲。  

為獲得優良性能，11n草案規範規定綠燈區模式(Greenfield)，在這個模式，網路可被重設忽略所有的早期標準。在802.11n最終草案裡的綠燈區模式是成為強制功能還是可選功能目前還不明朗，但是很可能成為選項之一。  

短時間內，以電池供電的WLAN硬體仍將繼續以802.11g，甚至是802.11b為基礎。不過，11n草案規範儘管考量加入改善的效率，也難以消除802.11b的所有障礙。這意味著期待優良網路性能的消費者，可能要考慮更新他們網路中的802.11b硬體。  

802.11n滿足當前和新興應用需求  

因為802.11n承諾更高的頻寬、更大的覆蓋範圍和更佳的可靠性，所以適合多種網路配置。而且隨著新興的網路應用進入家庭，越來越多的消費者最終會認為802.11n不僅是對現有網路的增強，而且必不可少。  

由於多數網際網路連接速度低於5Mbit/s，所以只是通過WLAN上網的消費者，至少在近距離使用時，還算滿意現有網路速度。不過，即使這類消費者也會很高興看到升級到11n草案的硬體所帶來的覆蓋範圍和高可靠性。一些推動802.11n需求的當前和新興應用包括VoIP、串流影像與音樂、遊戲和網路儲存(NAS)等。  

VoIP正在快速發展，消費者和企業都很清楚，用網際網路比用傳統電話線路撥打長途電話省錢。一個漸漸流行的撥打網際網路電話的方式是用VoIP電話，這是用電池供電的話機，一般靠內置的802.11b或802.11g連接網際網路。雖然電話通訊需要可靠的網路連接，但是並不需要高頻寬。802.11b和 802.11g的功耗都低於MIMO模式的802.11n，而單流802.11n也許會在VoIP電話中流行。今天，VoIP電話可從11n草案接取點增強的覆蓋範圍和可靠性中獲益。  

和VoIP的情況一樣，串流音樂也是一個能夠進入家庭、需要高可靠連接性的應用。成千上萬的消費者通過拷貝CD唱片和在網際網路上購買數位錄音，在他們的個人電腦裡建立數位音樂庫。此外，越來越多的串流音樂是從網際網路上直接下載。  

隨著數位音樂收藏的增多，越來越多的消費者發現他們希望能通過起居室的身歷其境或其他房間的音樂播放器來聽音樂。雖然更高頻寬並非絕對必要，但11n草案提供的更大覆蓋範圍和更高的可靠性可能比上一代WLAN硬體更適合串流音樂。  

遊戲是一個日益增加的家庭WLAN應用，無論用戶是用電腦或可攜式遊戲機，以無線連接網際網路，還是在家使用WLAN與線上玩家們對打。  

一個正在發展中的應用，需要802.11n所能提供的高資料傳輸率、覆蓋範圍和可靠性的是NAS。NAS可作為一種經濟、易用的資料備份替代方法，因而受到企業歡迎。近來，隨著用戶希望保護他們越來越多的數位相簿不致因硬碟損壞而丟失，以及隨著整套NAS備份系統售價下降到遠低於1,000美元，NAS正在進入小型辦公室，甚至是一些家庭。NAS令人興奮的新應用正在出現，例如需要可靠的高頻寬連接的視頻儲存中心，可透過家裡的電視、電腦預先錄製的電視節目、音樂視頻和整部故事片。  

為了方便出門時觀看，須把個人錄影機預先錄製的電視節目等大檔拷貝到筆記型電腦或可攜式媒體播放機中，而通過較早的WLAN做這件事相當費時。圖2比較拷貝30分鐘視訊檔案所需要的時間。在最高資料傳輸率，用802.11b拷貝檔案需要42分鐘，用雙天線11n草案用戶端只需要不到一分鐘。  

從11n草案標準承諾的更高資料傳輸速率中獲益最多的可能是企業，白領階級逐漸習慣辦公室有WLAN的好處，他們可以把筆記型電腦帶到會議室、同事的辦公桌，甚至是休息區，同時仍可讀取電子郵件、即時訊息、網際網路和公司資料。  

但是一些日常應用例如從群組伺服器拷貝較大的檔案、經過公司資料庫和進行系統備份，若以54Mbit/s的WLAN來執行，可能會慢得令人失去耐性。對於這種大流量應用，許多平常不受網線羈絆的員工也因此不得不採用乙太網路，以100Mbit/s，甚至1Gbit/s的速度連接網路。有了11n草案的硬體，用戶就能集合兩者的優點：有線乙太網路的高速度和WLAN的可攜性。  

消費者須謹慎選購11n草案產品  

今天，幾乎所有的企業都能從更高頻寬的WLAN獲益，不過，預計許多大企業可能要等到802.11n被批准後才會大規模部署這個新標準。準備部署的企業以及渴望更高資料傳輸率、覆蓋範圍和可靠性的消費者和小企業應該謹慎購買(圖3)。並不是所有支持MIMO、分集及其他類似802.11n功能的WLAN硬體都能符合這個新標準。購買者應該尋找標明「符合IEEE 802.11n草案標準」的產品。  

購買者尚注意，11n草案規範有大量的可選功能，其中許多功能，比如通道化和綠燈區模式，是為提高資料傳輸速率而設計的，需要鏈路兩端都支援該功能才可使用。  

11n草案硬體的設計方式不同將會有不同影響，例如，在某個須要和其他用戶通訊的用戶端的高頻寬通訊需求上，一些支援40MHz通道化的11n草案硬體要比某些硬體好。  

對計畫提升家庭WLAN的資料傳輸率和覆蓋範圍的消費者來說，一個好策略是從11n草案路由器入手，在預算允許範圍內購買支援最多空間流和可選功能的產品。購買個人錄影機和備份儲存設備等高頻寬檔案共享專用級設備，也可遵循類似的策略。  

對於不需要高資料傳輸率的固定用戶端，例如數位家庭音樂庫或網際網路內容的音樂播放器，11n草案有助於改善覆蓋範圍和提高可靠性。  

為用電池供電的設備選擇適當的11n草案替代產品可能是購物清單上最棘手的專案，因為功耗、資料傳輸率、覆蓋範圍和成本都是須要考慮的事項。舉例來說，VoIP是低頻寬設備，雖然在覆蓋範圍和可靠性不好的環境也能受益於MIMO技術，但是要以電池壽命為代價。  

筆記型電腦在進行檔案傳輸和資料備份時也可能受益於MIMO、通道化和綠燈區模式等高性能功能。請記住，透過通道化和MIMO省電模式，即只在需要時才支援多空間流，某些情況下性能高也可達到省電目的，因為筆記型電腦在WLAN上處於工作狀態的時間較短。  

(本文作者為博通WLAN系統架構部門資深工程師)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌68期10月號)