無線區域網路的原先構想為電腦應用，如今已擴大至各種可攜式裝置中，為因應無線多媒體裝置的普及與頻寬的密集應用，IEEE 802.11n標準應運而生，過去版本只須透過軟體升級就能享受更快的傳輸速率與頻寬。
無線區域網路(WLAN)於1989年發明，隨後IEEE在1997年將標準化為802.11，如今已成為廣泛應用的基礎標準。第一代802.11元件既慢且貴，每秒僅能傳輸1M～2Mbit/s。1999年802.11b確立後，WLAN頻寬即提高至11Mbit/s，足以支援電子郵件、檔案分享和網際網路的應用。2003年802.11g確立後，傳輸速率高達54Mbit/s，實現了音樂串流、相片顯示及其他豐富的多媒體應用。
此外，加上無線射頻(RF)技術採用2.4GHz頻段，802.11a標準則定義為支援5GHz頻段；802.11a提供的傳輸速率與802.11g完全相同，藉著與生具有的彈性，以2.4GHz為基礎的元件成為WLAN的主流。
目前的WLAN已從早期的電腦應用轉往如遊戲主機、行動電話、數位相機、MP3播放器、網路語音通訊協定(VoIP)、無線電話及各類可攜式裝置發展；隨著速度的增加，元件設計也須朝體積小、低功耗、低價與彈性化發展，才能進入全新市場。而因應可攜式產品須支援多媒體功能，WLAN也須具備更高的傳輸速率，為此IEEE撰寫802.11n標準以推動WLAN達到全新的效能層次，目前已有多項產品採用接近最後版本的802.11n draft作為基礎的元件，主要原因為其硬體架構已不太可能更動，且互通性也可透過軟體即可解決。本文將討論802.11n的新功能取捨、應用需求及標準互通性之相關問題。
MIMO提高訊號接收靈敏度
802.11主要採用DS-CDMA調變技術，由於2.4 GHz頻段是開放的RF頻寬，被各種無線技術、無線電牙裝置所廣泛使用，因此無線應用間的干擾將引發疑慮。DS-CDMA提供2Mbit/s最大空中傳輸速率，能防禦其他相關裝置干擾的強大能力；而802.11b利用相同的基礎調變技術，不過其編碼已經改善至能提供高達11Mbit/s的速率並能同時防禦干擾；802.11g則利用完全不同的調變技術，也就是一般所知的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調變技術，除具備強大的RF干擾防禦能力外，也提供高達54Mbit/s的傳輸速率。下列技術或許可將傳輸速率提升至54Mbit/s，不過卻都存在著許多問題。
首先是藉由將通道頻寬提高至40MHz，有效將傳輸率倍增至108M bit/s，這是目前市場上部分專有的802.11g和802.11a延伸應用所採用之方式，不過平行通道數將從四個減為兩個，且互通性也可能是一大問題。而64QAM正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation)技術目前已達極限，若在使用無線通訊之情況下，當處理量增加時就會大幅降低傳輸速率。透過改善編碼方案目前也不可行，因為目前編碼方案已達極限，無法進一步提升。
既然採用上述技術皆無法提高傳輸速率，唯一可行的辦法是以相同頻率平行傳輸多串流。乍聽之下，相同頻率的多串流似乎不是最佳辦法，試想若汽車廣播收到相同頻率的兩個電台，最後只會製造無用的雜訊，不過只須利用多重輸入多重輸出(MIMO)技術加以控制，RF就能夠辦到。圖1為MIMO技術之基礎模型架構。
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| 圖1 MIMO技術基礎架構示意圖 |
利用MIMO技術，原始的數據串流在發射端被分成多個子串流，然後再透過不同的天線發射至環境中；接收端的反向流程則亦然，不同的天線在不同的位置，RF波朝許多方向廣播。傳輸與接收天線之間可能為一直線，不過當訊號碰到牆壁、天花板或其他障礙物則可能會反彈。發射器天線和接收器天線之間的關係即是一般所稱的路徑模式。唯有不同串流的路徑模式有預備相當差異，MIMO才能運作無誤(圖2)。
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| 圖2 MIMO路徑模式在數學上所採用之矩陣模式 |
接收器的工作是運算此即時矩陣，因為它是一個可改變的常數。接收器和發射器可隨時操作，且環境也能變更。為了促進此動態重新運算，發射器會傳送一個前導訊號，此訊號為一種透過所有天線發射且有些微延遲的固定波形。接收器偵測此前導訊號以了解即將抵達的數據內容，然後為隨後傳到的發射封包建構發射矩陣。當此訓練階段完成，矩陣就會穩定，實際數據發射便會根據MIMO方案開始執行。不過，如果不同串流的路徑模式彼此過於接近，MIMO將無法運作，而此時系統須退回一個傳輸/接收串流才能進行運作。
頻段/天線架構採用 應有所取捨
表1為目前802.11n draft顯示參數組合，及一個和兩個空間串流的最後處理量運算結果，只須乘上倍數即可運算得知三和四個串流的數值。802.11n支援許多不同的模式，而且可透過定義與過去的舊有系統相容。
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| 表1 802.11n draft顯示之參數組合 |
802.11n系統若在2.4GHz頻段運作時，須支援802.11g和802.11b；802.11n系統若以5GHz頻段運作，也須支援802.11a；即使是802.11n模式，其數值也相當高。在802.11n模式下，具備了以下幾點特徵：
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包含二進位相移鍵控(Binary Phase-shift Keying, BPSK)、四進位相移鍵控(Quadrature Phase-shift Keying, QPSK）、16QAM64QAM，與802.11g /802.11a使用的模式相同。 |
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採用1/2、2/3、3/4與5/6，並沒有實際變更。 |
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所有的802.11n/g/a均使用OFDM來調控數據串流，此處的關鍵值是所謂的數據音調值，802.11g/a使用動態48音調、802.11n則分別在20MHz與40MHz模式下採用52音調與108音調。 |
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這指接收器用以分辨兩個相鄰符號的兩個OFDM符號間的時間間隔。此標準容許400奈秒(ns)和800ns，也就是一般所稱的短保護區間和長保護區間。 |
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802.11n支援單串流模式，此標準的最大串流量限制為四個，就理論而言此數量應為無限，不過實際上有意義的數值卻相當低。
802.11n的最低數據率為6.5Mbit/s，與802.11g/a的6Mbit/s非常接近。差別在於802.11n中的20MHz模式定義了四個額外導頻音，四欄為一個串流定義了三十二種不同的速率，對兩個串流則又定義了另外三十二種速率，使最大處理量可達到300Mbit/s，三個串流的處理量可達到450Mbit/s，而四個串流的處理量為600Mbit/s，這都是此標準理論上所能實現的最大處理量。 |
如果我們接受此表格的內容，最明顯的設計考量將是支援串流的數量。如果我們定義n×m配置為在發射端支援的n個動態天線、在接收端支援的m個動態天線，則1×1、2×2、3×3和4×4似乎是802.11n最可能的選擇；但有趣的是n未必等於m，若n大於m則沒有太大的意義，這是因為接受器沒有足夠的天線接收所有發射的串流。不過，接收天線大於發射天線可用來改善接收器的敏感度，從而取得更大的覆蓋範圍，因此1×2、2×3和3×4也都是有意義的配置；若與2×2的設置比較，採用2×2配置所取得的額外天線，理論上將是6分貝(dB)。
既然如此，為何不採用4×4天線使傳輸率達到600Mbit/s，最關鍵的考量就是在於成本。1×2是最具成本效益的配置，可用於小尺寸機型，而天線的成本也是考量的重點，此外，還有功耗、天線間距、發射功率限制及覆蓋範圍等因素須考慮在內。
就功耗而言，當接收器和發射器越多，802.11n配置中所消耗的電流將越大，這對可攜式嵌入式電池的驅動設計非常重要。另外，自備電源USB也限制為500毫安培(mA)，或可選用外接電源，因此許多1×2系統可用的處理量將不超過150 Mbit/s，但優點是覆蓋範圍將比舊有的配置範圍更廣。
在天線間距方面，為實現MIMO功能天線間須有足夠的間距。標準的Carbus卡和USB隨身碟均有尺寸規定，導致在設計上若使用許多天線將不具任何意義，因此，USB隨身碟偏好使用1×2的配置，Cardbus卡則偏好2×3和3×3。
至於發射功率限制中，在歐洲ETS 300328標準中限定2.4GHz頻段的總發射功率不得超過20dBm，目前802.11g OFDM調變所用的發射器發射功率通常為16dBm，因此仍有增加的空間。若將兩個發射器結合組成2×m的配置，總功率將增加3dB，且仍未超出限制範圍；不過，當發射器增加至3×m和4×m時就會超出限制，須要使用較低的每串流發射功率使覆蓋範圍縮小。
最後從覆蓋範圍角度切入，可以發現額外增加一個接收天線理論上可提高6dB的敏感度，因此，增加另一個天線從2×2到2×3可擴大覆蓋範圍，讓一定距離內的連結更穩定。
當802.11n不能分辨1×1系統與舊有系統時，其最低配置須為1×2、1×3、1×4或2×4，但另一個天線將無法提供更多協助。此外，請勿與外接USB連接裝置(Dongle)混淆，因為透過USB線連接主機，可同時擁有外接電源及大尺寸。
技術升級 擴大覆蓋範圍
802.11n的主要目標是提高遠超越現有100Mbit/s ﹝ 傳輸速率的處理量。然而，WLAN處理量的數值仍是持續討論的議題，從802.11b的11Mbit/s、802.11g的54Mbit/s，到802.11n的300Mbit/s，都是說明資訊透過無線連結所發射速率的實際數值。雖然這些數值皆正確，不過因過程會產生耗損，因此使用者無法完全利用。這點在過去使用802.11時並不構成問題，因為最低1Mbit/s的實際速率到了使用者端只變成0.9 Mbit/s，其耗損率只有10%，屬於可接受的範圍。802.11b速率11Mbit/s時提供給使用者的速率為6Mbit/s，802.11g速率54Mbit/s時則提供21Mbit/s，也就是耗損已達到50%。不過，為何802.11n的耗損會高於802.11b，是因為WLAN協定整合了類似封包間隙、低階回應及後退時間。這當中有部分能隨時保持一致，因此當傳輸速率提高時，數據封包將變得更小，相關耗損就會降低，從而導致總耗損提高。因此，若802.11n的耗損與802.11g/a相同時，300Mbit/s的實際數值到使用者端將低於100Mbit/s。
因此，802.11n中整合了部分降低耗損的機制，其中最主要的就是匯聚。如前述，耗損的產生以每個封包為基礎。匯聚時發射台須等待，堆積本機將要發射的數據封包，並將其匯聚成一個超級封包。匯聚會增加封包大小並減少封包數量，進而降低耗損。802.11n定義的匯聚包括兩種類型，一是透過加總MAC服務數據單位(Aggregate MAC Service Data Unit, AMSDU)機制利用8kbit/s的超級封包，另一則是透過加總MAC協定數據單位(Aggregate MAC Protocol Data Unit, AMPDU)機制的64kbit/s，兩種機制都已針對不同應用進行最佳化。由於匯聚功能的實際交換速率為300Mbit/s，因此能在保持等於甚至低於802.11g/a的耗損，提供使用者高於150Mbit/s的傳輸速率。至於如何改善802.11n的覆蓋範圍，就目前市場上有802.11g的延伸應用，表示其使用者數據率可達接近30Mbit/s，但這些延伸應用只能在某些狀況下有所改善，並非主流應用。
根據上述資訊，所有的802.11技術在最遠距離上都能提供1Mbit/s的覆蓋範圍，因此若最低覆蓋範圍只達1Mbit/s，就不能說已有所改善，因為這與最低的處理量有關。不過，若傳輸速率高於1Mbit/s時，則整體覆蓋範圍將隨著發射器和接收器越來越靠近而獲得改善，相較於802.11g，其802.11n能提供大幅的改善，這對須要保證最低頻寬值才能運作無誤的應用具有關鍵影響(圖3)。
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| 圖3 802.11g、802.11n覆蓋範圍及傳輸速率示意圖 |
高畫質影音傳輸將不是問題
日前在一場超高速乙太網路研討會中，有位講者被問及1,000Mbit/s網路該如何於使用電子郵件時讓工作更快速，其誠實而正確的回答應該是「完全沒有幫助」。事實上，並非所有使用者都需要數百Mbit/s的頻寬瀏覽網際網路或進行文件交換，即使基礎的802.11標準已能充分支援這類任務。且就算是檔案或音樂分享與VoIP等應用，只需802.11g/a就能運用自如。因此，802.11n的關鍵應用應在於視訊，尤其是HDTV。
即使單一串流採用到達極限的802.11g/a，只要發生最小程度的干擾，或其他使用者共用該網路，就會發生圖片變形的問題。802.11n提供足夠的空間來支援HD視訊串流。由於802.11n具備兩個平行的HDTV串流，因此VoIP電話及網路上的文件交換可在同一網路上進行，且不會降低多媒體品質，這只需相關頻段足夠「乾淨」就能夠達成；隨著2.4GHz頻段越來越擁擠，乾淨的頻段也越來越少，如果所有鄰近區域都以2.4GHz使用耗費頻寬的應用，如多個HDTV串流，即使802.11n到達極限都可能不敷使用。不過802.11n也定義了5GHz頻段，5GHz不僅比2.4GHz更為寬廣，且目前多數皆處於未使用狀態。市場所期望的視訊串流也大多利用5GHz，希望2.4GHz頻段留給其他應用使用；而雙廣播設計將可平行支援兩個頻段，並提高整體可用頻寬達兩倍。
802.11n元件正開始探測市場水溫，除了提供的傳輸速率效能改善外，802.11n將為家庭使用者的多媒體應用開創全新契機。此外，802.11n也將為企業和公共熱點帶來更多效益，只要有效限制所使用的基地台的需求，更少的802.11n將提供更多人使用，因此802.11n最終將能在各種類型環境中滿足各式各樣的使用者需求。
(本文作者為Marvell嵌入式與新興事業部產品管理總監)