撇开MIMO不谈,11n与11g有何不同?
11n标准,与过往无线标准的最大规格差异,在于采用MIMO技术,运用MIMO技术可将Wi-Fi产品的传输率大幅提升,从现有54Mbps扩增成300Mbps、500Mbps,但也因为MIMO技术过于耀眼,让人们忽略11n的其它技术提升表现… 2003年IEEE 802.11g(本文以下简称:11g)标准定案后,紧接在后的就是IEEE 802.11n标准(本文以下简称:11n),同时许多人也知道11n与11g的最大不同处在于,有否使用多进多出(Multiple-Input and Multiple-Output;MIMO)技术,11g与其之前的技术标准皆是使用单进单出(Single-Input and Single-Output;SISO),而11n开始将正式使用MIMO技术。
当然,截至目前为止(2008年1月)11n标准都尚未底定,最新的公开数据也仅有2007年11月的3.0草拟版,然而在草版标准未出现前,就已经有业者的WLAN产品使用MIMO技术,此类产品一般被称为Pre-N,而在草版标准出现后,依序草版标准推出的WLAN产品(也使用上MIMO技术)一般称为Draft N。
虽然11n的重点在于MIMO技术,这同时也是新标准的最大卖点,但除了MIMO之外,11n就没有其它改变了吗?其实答案为「否」,11n除了MIMO外,也在原有各项技术特性上进行强化提升,本文以下将对此进行更多讨论。
更多的子载波
过去11g最大的一项技术特点,是使用正交分频多任务(Orthogonal frequency-division multiplexing;OFDM)调变,但实际上早在1999年的IEEE 802.11a标准就已使用,只是11a并非使用全球适用性的产业/科学/医疗(industrial, scientific and medical;ISM)用途波段频谱,11g大体只是将相同技术用于2.4GHz波段而已。
使用OFDM技术的特性就是会有多个子载波(Subcarrier,或写成:Sub-Carrier)可供弹性调变运用,11a时每通道(Channel)有64个子载波,11g则有52个,另外从IEEE 802.16d之后的WiMAX也改采OFDM调变,在28MHz频宽的通道下能有256个。
不过,不是每个子载波都可以用来传输数据,例如11a当中,在通道频宽的左边(低频)5个与右边(高频)6个子载波被称为虚载波(Virtual Carrier),是没有调变传输功效的,更简单说是被视为保护波段(Guard Band)来使用。另外WiMAX中有的子载波专门用来传递协调、控制等机制讯号,也不能用来传输实质数据,256个子载波中只有192个是真正能用于数据传输。
话虽如此,子载波数依然是愈多愈好,每多一个就表示收发传递上能多塞一组调变信号。所以,11n比11g多出了4个子载波,在相同20MHz频宽下11g仅48个子载波,而11n则为52个,因为子载波数增加,所以11n即便也是SISO的单天线收发,也会比11g的单天线无线讯号收发表现更为快速。
以11g的54Mbps速率而言,将54Mbps除以48、乘以52,如此11n有58.5Mbps速率,略增8.333%。
DWA-556网卡的应用示意图
在无线收发过程中,所有数据并非都是实质数据,除了协调、控制等信息外,每笔实质数据也都会随附前向错误更错码(Forward Error Correction;FEC),更错码是当实质传递数据在传递过程中因衰减、干扰等因素,而导致数据错误时,透过更错码可将数据更正、还原成正确数据。
更错码虽有修改错误的优点,但缺点就是更错码本身也会占掉传输频宽,此属于必要之恶。不过,即便是必要之恶,人们也希望将出现错误的比例降至最低,让更错码不会太耗占频宽,但却能维持相同的错误更正能力,而这个比例就称为编码比率、码率(Code Rate)。
关于此,11g的码率为3/4,即是实质资料占3/4,更错码占1/4,然而11n把实质传输比率再拉高,从3/4拉升至5/6,如此再导入速率,11n有58.5Mbps的速率,同时码率从3/4升至5/6,如此就有了65Mbps的更高速率。
保护间隔可再缩短
在无线收发过程中并非时时都在收发,也非一直是连续收发,收/发间或多次传发过程中,需要若干间隔时间,如此反而能使收发效果表现更佳,而这个间隔时间就称为Guard Interval,简称GI。
就以往而言,GI的时间约为800nS(奈秒),不过11n标准中有项选用功效,允许使用仅400nS的保护间隔时间,即是比原有800nS减少一半,若使用这项功能,则11n的传输率可以再增加,从65Mbps拉升到72.2MbpsMbps左右。
倍增通道频宽
11n不单单只有GI时间从800nS减至400nS的选项功效,事实上11n标准因各阵营主张的技术提案争议,为摆平争议而比过去多出了许多选用标准,GI时间缩短只是其一,另一项常被提及的就是每通道的波段频宽,过去一般为20MHz,但11n标准在制定的过程中对此有所争议,TGn Sync阵营以效能为重,主张每通道可拓宽成40MHz,而WWiSE阵营则以兼容性为重,认为每通道应当维持与过往相同的20MHz。由于两阵营僵持不下,最后IEEE选择折衷之道,新的11n标准仍是以20MHz为主,但在选用功项上允许使用40MHz。
如果使用了40MHz频宽,则通道内的子载波数目可以再增一倍,从52增至104,不过因为通道使用连续波段频谱,因此可略省一些为保护波段目的所用的频宽,如此就不只104个子载波,而是有108个子载波,又多了4个出来。从52增至104后11n的速率又可以再提升,增至150Mbps。
附带说明的是,以上皆是将每个子载波都使用数据含带量最高的64QAM调变方式来传输,若使用其它调变方式(如:QPSK、16QAM)则会降低传输率。
600Mbps速率的由来
虽然本文主要是谈论MIMO之外的11n技术,但到这里依然要稍微谈一下,因为11n宣称的极限速率:600Mbps到底是如何获得的?到这里是可以解释的时候了。
前面所提,都是11n在单进单出(即单一天线的收发)情况下的讨论,从54Mbps到58.5Mbps(增加4个子载波),从58.5Mbps到65Mbps(码率从3/4增至5/6),再从65Mbps到72.2Mbps(GI时间从800nS缩至400nS),再从72.2Mbps到150Mbps(频宽从20MHz拓增至40MHz)。
所以,若不使用选用功能,则11n的单一天线最高传输速率为65Mbps,这也比11g的54Mbps快速,但启动2个选用功能后就可达到约150Mbps。
接下来再将SISO拓展成MIMO,11n最高允许同时使用4根天线收发传输,当然也允许同时间2根、3根天线传输,此即是一般所言的4×4、3×3、2×2等天线组态,此外也允许非对称的组态,即是发送天线1根时接收天线可以是1根、2根、3根、或4根,或发送天线2根时接收天线可以是2根、3根、或4根。
总之,接收的天线数目必须多过发送的天线数,如此MIMO也是可以成立的,只不过收发天线数目若不对称,对收发效率有所阻碍。
接着言归正传,如果11n的MIMO组态也使用到极限,即是4×4的作法,再加上每根天线都开始40MHz频宽、都使用400nS的间隔时间、每个子载波使用64QAM调变,则可以简单将150Mbps乘以4,得到600Mbps的速率,600Mbps一称大体由此而来。倘若不将选用功效算入,则每天线约有72.2Mbps速率,x4之后约288.9Mbps。
很明显的,这是个既极致、又理想的超现实状态,不过这个速率数据也还未将MIMO的其它优点效益考虑进去,例如波束成形(Beam Forming)机制,对多径干扰(Multi-Path Reflection)的抵抗性等。
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低MAC层耗占
上述所讨论的多半是11n实体层(Physical;PHY)表现,接下来将谈论11n的数据链路层(Data Link Layer)中的媒体控制层(Media Access Control;MAC),此方面11n也比过去11g更为精进。
以往11a、11g的速率约56Mbps,但到了更上层的MAC层时,速率就只剩下26Mbps,传输率大降了54%,而11n的65Mbps速率到了更上层的MAC层时仍有50Mbps,只减损了约23%。
快速调变、编码机制响应
以上的状况,也是在最绝对理想时才有的表现,且实际收发时若变换使用不同调变方式,就不可能达到如此理想。但是11n也具备多种强化机制,期望让速率受影响的程度降至最低。
例如Fast MCS Feedback机制,其中MCS指的是Modulation and Coding Scheme(调变与编码机制),此可以用应用情境来说明,假设今日有一个人使用无线区网话机(Wi-Fi Phone),当这个人走到建筑物的角落时,通讯的阻碍将增加,传输率将会瞬间下滑,理由是传输错误率增加,然而语音传输相当讲究实时性,如此才能保持流畅语音。
关于此,11n的Fast MCS Feedback可改善此应用情境,在传输上增加额外的响应封包,响应封包将建议下一个封包适合用何种速率传输,进而减少传输错误率,确保通讯的实时性。
低密度同位查核编码
低密度同位查核(Low Density Parity Check;LDPC)编码是一种超级欺骗性的FEC(前向更错码)机制,这种编码技术已经有快50年的历史,但即便如此就今日而言,仍具有极高的错误更正效果,该编码方式的效果程度已接近更错原理理论的极限。
不过,过去之所以很少使用LDPC,原因在于它需要极高的运算效能才能实现,然而11n已能够使用LDPC,以此来讲低传输错误率。
比较有趣的是,也有人认为11n之所以新增LDPC机制,而不是采用其它的错误更正机制,是因为LDPC已极具历史,没有专利保护的问题,因此采用。
波束成形
波束成形技术前述有稍稍提及,此处则进行更多说明。
波束成形其实是个形容词,把无线电波想象成雷射波束,并将波束特别指向某一无线收发装置,不过实际上的运作并非如此,更逼近事实的想象,应该是把一个房间想象成湖面,湖面有时会受风的吹拂而产生涟漪,对应到房间就等于是收发上的一阵噪声,而波束成形是对整个收发环境(在此例即是一个房间)进行各种信号强度的感测,了解强度分布状况后再调整自己天线的发送相位及强度,让实际收发更为有效。
STBC
STBC(Space-Time Block Coding)目前似乎没有合适的中文翻译词,部分文章翻译成「时空区块编码」。
关于STBC也适合用应用情境来说明,今天有一个支持11n标准的手持式装置,由于手持式非常娇小,且用电池运作,碍于电能与空间等因素,手持式装置只能使用1根天线,若使用2根天线则不仅产品设计困难,且电力会加速耗尽。
手持式装置虽然碍于限制只能有1根天线,但服务该手持式装置的11n无线存取点(Access Point;AP)多半为固接式,通常会有2、3、4根的天线,而有根天线有其好处,每根天线的后方其实都对应一个解调器、数字信号处理器,如果同时动用2根以上的天线来接收、感应1个发波,则2根天线因设置位置的若干差异,所感测到的信号强度也会有些不同,而些微的不同若透过比对运算,则可以让原本已经难以辨识的信号获得正确辨识。
更简单说,动用2到4根天线来感测1组发波,或用3到4根天线来感测2组发波,或用4根天线感测3组发波,则可以更清晰、有效地辨识传输信号,而不是1组发波1组接收天线。附带一提的,STBC也属于选用功效。
功能尚未全部到位
除了上述谈论的外,11n还有诸多的技术特性强化,但在此难以逐一、尽数介绍。
事实上截至目前为止,即便有芯片业者宣称该公司已经推出11n的芯片组,但也很难将所有的11n的功效都全部实现,有许多芯片组都尚未实现LDPC、Beam Forming、STBC等功效机制,尤其选用功效类的机制更是如此。
即便有的芯片业者已经能提供LDPC、STBC等机制,但实现方式也值得再议,由于LDPC、STBC相当耗用运算效能,如果用软件方式来实现LDPC、STBC,则移动式装置的电池电能将快速耗竭,因此多半建议用硬件电路的方式来实现LDPC、STBC功效,但关于此芯片业者必须从现有已卖出的11n芯片组中获得销售回收,才有能量投入更先进、更新款的11n芯片设计,届时才能有真的以硬件方式实现LDPC、STBC功效的11n芯片。
回过头来,从本文对各种特性强化的解说,至少能了解业者在强力标准11n产品拥有600Mbps速率的时候,其中真正的意涵与意义为何,倘若某11n产品仅有3根收发天线,但包装上写着600Mbps速率,那很明显是言过其实的。