無線通訊邁向寬頻時代　802.11n實現聯網生活

在德國柏林的IFA 2006展會上，恩智浦(NXP)透過以802.11n標準為基礎的展示產品介紹其「聯網生活(Connected Living)」概念。「聯網生活」就是將若干伺服器設備，如多重空間PVR以及行動和汽車設備連接，用戶能在家裡和路途中隨時使用儲存或現場接收的資訊、娛樂和服務內容。 由於現有的802.11a/b/g無線網路標準對消費電子應用有太多限制，802.11n標準因此成形，過去這些標準在電腦對電腦的應用，往往沒有非常高的資料傳輸速率要求，以及對間歇干擾須具備很高的容忍度，儘管802.11g理論上的最大資料傳輸速率為54Mbit/s，但實際上卻很難達到20Mbit/s，主要因為家庭環境中訊號須穿過牆面，因此資料傳輸速率將大幅降低。  

擁有專利技術的系統能提供超過100Mbit/s的速度，但這些系統迫使消費者購買同樣技術的生產設備，且與其他技術的互通性將是一大問題，而802.11a/b/g的成功點為能透過WiFi認證，獲得不同設備間的互通性。  

此外，其他的技術變化也將影響聯網家庭的網路技術需求，儘管編解碼技術的進步，如MPEG4、H.264和WMV9都能降低傳輸特定串流的所需頻寬，但一些應用發展卻增加這種需求。且HD的應用趨勢、網路音頻設備的普及與VoIP的採用，都使家庭網路須具備有處理相當資料流量的頻寬。  

因此，技術整合是必要的，而整合系統供應商須更加了解電視、數位機上盒、手機等設備及聯網家庭的標準，除了通用PnP、UPnP和數位生活網路聯盟(DLNA)之外，還須了解無線網路；由於聯網視訊、音頻兩項技術與聯網電腦完全不同，具整合性的整體系統技術才是成功關鍵；而針對以上狀況，802.11n將有助家庭實現無線聯網的夢想，同時供應商也須努力去實現。  

MIMO增進傳輸/接收靈敏度  

802.11n系統擁有如此卓越的性能主要為天線分集(Antenna Diversity)的核心技術，也稱為多重輸入多重輸出(MIMO)技術。圖1為MIMO的簡單實例，左邊天線的傳輸訊號被右邊三根天線接收，然事實上，MIMO系統中通常有多根傳輸天線，每根接收天線的訊號都經過相位和振幅調整，然後綜合成一個效果最佳的輸出訊號。

圖1　多重天線所產生之輸出訊號示意圖

在多重路徑環境中將可能會不時接收家庭環境中的設備，如數位機上盒等設備，而MIMO將能挑選不同的多重路徑訊號並將其綜合成一個強大的數據流；此外，MIMO的配置方案實際上可利用多重路徑來增強穩定性和性能。  

圖1顯示為1×3MIMO配置，但理論上任何數量的傳輸和接收天線都是可行的。不過須注意的地方在於，所有天線的傳輸和接收頻率都是相同的，因此，為解除多重路徑訊號的相關性，通常須要將綜合的強力輸出訊號進行大量計算，且配置也通常涉及相對較少的天線，如2×2和2×3。  

MIMO的目標是使每根天線的衰減獨立於其他天線，盡量降低所有訊號同時衰減的可能性，而實現獨立衰減的方法有三種：首先是天線之間相距夠遠；普通情況下，如果散射環境產生的訊號來自各個不同方向，則四分之一波長的間距足以實現獨立衰減。其次，因獨立衰減的原因為每根天線都有不同的訊號路徑，因此將天線朝不同方向或天線使用不同的散射模式即可實現。最後，使用不同的偏振方法實現。  

可混合使用上述不同的空間距離、散射模式和偏振方法，其實際天線數量受限於每根天線所需的射頻電路成本、複雜性與功率，而MIMO將產生非常出色的效果，如2×2的配置可實現常規單發射器、單接收器系統兩倍的實體(PHY)層資料傳輸速率，同時增強了穩定性，且資料傳輸速率加倍的同時，接收敏感度通常也將提升8dB。  

5GHz頻帶環境干擾低  

從整體系統角度看聯網家庭，在802.11n標準中將採用5GHz的頻帶而非2.4GHz頻帶，可從兩方面進行討論。  

首先在2.4GHz頻帶部分，若將藍牙、無線通訊與現有的802.11a/b/g等傳輸技術計算在內，目前已負擔過重，且很可能有超過十億部的設備在使用此頻帶。  

若是以資料為中心的應用，此干擾將能夠被容忍，因為很少用戶會關心正在下載的網頁是否比正常下載的時間長，但在視頻應用中將導致畫面出現干擾，導致使用者無法接受。  

而5GHz頻帶的利用則相對較低，主要因為能符合消費者價位的5GHz設備，其設計上有一定困難度，因此大約只有五千萬部的設備在5GHz頻帶上運作，其中大部分為日本所使用的802.11a設備。  

因此，具備消費型聯網家庭設備技術的公司，須搭配一個在802.11n領域中強而有力的合作夥伴，能針對5GHz頻帶進行最佳的解決方案設計。另外，5GHz頻帶的優勢在於有更多的頻段可使用，將有利於對抗干擾。  

根據Shannon的容量定律，通訊系統的資料容量極限將隨著可用頻寬呈線性增長，這表示增加資料傳輸速率最簡單的方法是增加其營運頻寬，即所謂的頻道匯整(Channel Bonding)技術，這是802.11n可實現的性能改進部分。  

頻道匯整提升傳輸速率  

在無線區域網路(WLAN)系統，可透過將兩個鄰近的20MHz頻道匯整成一個40MHz頻道，以實現頻寬增長；頻寬增長實際上能超過兩倍，是因為同時還移除了兩個匯整頻道之間的安全頻帶(圖2)。

圖2　利用頻道匯整增強天線分集關係圖

2.4GHz頻帶的問題在於只有三個非重疊的20 MHz頻帶，因此頻道匯整將產生許多問題；而多數國家的5GHz頻帶有十到二十個非重疊通道，因此能充分利用頻道匯整來實現圖2中頻道匯整增強天線分集性能之效果。  

對於電腦到電腦網路的設計人員而言，頻道匯整和頻譜的可用性將無法證明進行5GHz無線電設計能增加設計時間和成本，但對於聯網家庭領域的設計人員而言，這種權衡取捨則大不相同。使用5GHz頻帶和頻道匯整並非開發802.11n標準的必要條件，但能作為包括在內的選項。  

直接錯誤更正是視頻傳輸的另一項關鍵技術。過去的IEEE 802.11a/b/g版本所針對的電腦對電腦通訊，都使用迴旋碼進行錯誤檢測，不過錯誤檢測在更早期的IEEE標準已被採用。  

而802.11n的低密度同位檢查(Low Density Partity Check, LDPC)可提供比迴旋碼大約高3 dB的編碼增益，此外，LDPC的編碼優勢在於當同時要求低封包錯誤率(PER)和高資料傳輸率時，將能產生很大的功能，這將成為視頻傳布等需求應用的優勢條件。且DVB-S2衛星廣播和10千兆銅纜乙太網路標準都已採用LDPC技術。  

LDPC碼是由非常稀疏的同位檢查矩陣指定的線性分組碼，增加的代碼增益可用於擴展相同資料傳輸率的範圍，如3 dB LDPC代碼增益最多可轉換增加30%的範圍，還可用於增加處理量或增加穩定性或抗干擾性。  

直接錯誤更正(FEC)是另一個例子，即系統A/V系統專業技術會得出與電腦技術不同的結論。FEC在晶片層級上實現時才會出現最佳表現，大多數晶片組供應商幾乎沒有進行LDPC布線，Metalink的WLANPlus為使用LDPC而非傳統迴旋碼獲得優勢的產品之一。

圖3為WLANPlus晶片組實現2×3MIMO系統的類比結果，包括頻道匯整和使用ETSI頻道A模型的效果，每個天線的輸出功率為13 dBm，LDPC和非LDPC操作模式之間的SNR相差3 dB。LDPC代碼增益的價值是能夠以更低的SNR實現更高的吞吐量，該SNR增益可轉化為降低射頻成本、增加傳輸速率或增加範圍。

圖3　LDPC具直接錯誤更正之優勢

QoS主掌傳輸效能  

視頻、遊戲和類似數據類型所無法包容頻寬波動，將使分布式協調功能(DCF)訪問(Access)方法用於無線媒介，會對目前的802.11協議造成問題。由於電腦傳輸選擇採用分布式協調功能，因此它允許每台設備對該媒介具有相等的存取權，而再次從視頻系統技術角度看分布式協調功能，分布式協調功能所提供的公平存取權必然不足，不過一些晶片製造商仍會採用此種選擇。  

設置服務品質(QoS)一直是個熱門的話題。IEEE 802.11e標準提供兩種選擇︰增強分散式頻道存取(EDCA)和混合協調功能控制頻道存取(HCCA)。但在2006年5月，WiFi聯盟董事會中止其HCCA工作小組，使WMM(WiFi Multimedia)的EDCA成為唯一的QoS方案，也具備認證計畫。  

EDCA有四個優先等級，也就是所謂的存取分類(Access Categories)，包含語音、視頻、最佳工作量和背景。每個存取分類的EDCA參數設置透過設置單個框內空間、競爭窗口和其他參數來定義優先等級。透過收聽媒介來確定所需的傳輸時間，類似於分布式協調功能定義的原理。  

但與分布式協調功能不同的是，各種存取分類的最長後移時間(Back-off Time)有所不同。優先等級越高的存取分類其最長後移時間越短，使優先等級較高的存取分類能比優先等級較低的存取分類先執行存取，達到存取無線媒介更頻繁。  

設備存取無線媒介後，可以繼續傳輸以獲得特定的傳輸機會(TXOP)。共享相同存取分類的應用程式或封包都具有相同的最長後移時間，這使他們都具有同等的機會存取無線媒介。  

EDCA雖然非常容易實現，但無法保證潛伏、抖動或頻寬，且也無法處理幾個具有相同優先等級的應用程式。組合方法是以EDCA為基礎去增加容許控制。  

容許控制的功能為預防其他流量減少，讓優先等級能具有相同的容許流量，這將可以確保當兩個高優先等級的服務在系統資源不足時，其增加的高優先等級服務，不會降低其現有的相同優先等級服務之性能。舉例而言，儘管EDCA能保證視頻服務比資料服務有更高的優先等級，但嘗試提供另外的視頻串流可能會導致兩個視頻串流故障。而容許控制會評估系統資源，當確定資源充足時，才會允許使用另外的視頻串流。  

其接入點(AP)須配置EDCA容許控制，而工作站則可視需要選擇是否配置；如果希望使用一個存取類別時，其接入點可要求工作站支援容許控制，並明確請求存取權限。在一般的情況下，工作站會指定其數據流要求，並要求接入點核准，其中包含資料傳輸速率、延遲界限、封包大小等，接入點會根據當時發出的要求來計算現有負載量，並根據當時情況接受或拒絕新要求。若要求被拒，將不允許工作站內的高優先等級訪問類別使用高優先等級訪問參數，而須使用較低的優先等級參數。EDCA加上容許控制網路，採用與傳統網路完全相同的原理，並使用相同的分布式架構決定是否為工作站留下傳輸時間。EDCA加上容許控制能將EDCA的優勢實現，但這仍只是容許控制的優勢，而EDCA加上容許控制卻成為實施QoS的最佳選擇。  

打造無線通訊新指標  

IEEE已將802.11n的最終版定案時間從2007年下半年延後到2008年，且802.11n的標準仍在不斷更動，但從WiFi聯盟已在2007年開始認證802.11n相關產品看來，相關產業都希望能盡快將產品推向市場，並隨著標準的演進逐步完成認證；讓802.11n標準能開始被廣泛使用。不過，大多數專家認為最終版本的802.11n方案在互通性上還須改善，且設計工程師也認為802.11n在產品上的整合度也將是重點問題。  

大多數無線解決方案現在都是以模組形式提供，因為主要市場是筆記型電腦和路由器，短期來看802.11n解決方案將會延續這種情況，但長期來看何時能將整個802.11n解決方案與用戶矽晶片加以整合，將決定於標準的穩定性及接受程度。換言之，當標準底定確定不會出現任何標準上的問題時，就值得考慮進一步發展整合解決方案。  

過去的無線網路性能也可為符合新無線標準的晶片組定價提供參考。若802.11n的定價趨勢與802.11g相同，其價格將可望於兩年內降到10美元以下。從802.11g晶片價格降到10美元以下才在市場產量看來，準標準產品應在早期試用階段就打進入大眾市場取得占有率。  

儘管802.11n標準可能是原先802.11變化形式的演化，但實際上兩者並非連續。原先的變化形式是從電腦到電腦連接的角度而創建，而在802.11n標準中透過選擇適當選項，將能在聯網家庭中進行視頻傳輸。這表示成功的方案不只取決於連接技術，還須取決於消費性電子技術，加上802.11n代表電腦領域與消費電子領域的「晶片級」融合，因此最佳的802.11n解決方案將來自業者與業者間的廣泛合作，才能使消費者能在隨時存取各種來源的數位內容、資訊與娛樂等服務。  

(本文作者為恩智浦數位家庭娛樂事業部策略行銷經理)