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现行11ac系统设计的挑战
11ac处于尴尬位置

【作者: 陸向陽】2014年04月08日 星期二

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经过1年的行销攻势,多数人已知道11ac的重点强调,如第5代Wi-Fi、Wi-Fi首次能突破1Gbps通量等,另外天线数可达8组,通道频宽可至160MHz,调变可至256QAM等,相对的,过往的11n仅能4组天线、40MHz频宽、64QAM调变。但实际上11ac能实现所有规格吗?此恐怕有些疑问,以下对此说明。


现阶段采行IEEE 802.11ac具有多项风险。首先,IEEE 802.11ac正式标准尚未定案,目前仅有Draft 3.0(技术提案草拟版,第3版)可以依循。


其次,即便是Draft 3.0版,Wi-Fi联盟自今(2013)6月才正式开通测试认证服务,此​​意味着目前仅有少数晶片通过认证。然而,去(2012)年的11ac晶片可能仍以Draft 2.0标准为主,能否透过韧体更新升级成Draft 3.0,甚至是更后期的草版标准,也必须事先考虑与确认,若比较11n的发展历程,总共历经11次草版修订,历时3年,因此晶片商能否承诺持续跟盯新版标准,也成为评估重点。



图一 : 11ac希望透过波束成形来提高效能,但得等Wave 2才会开始支持。
图一 : 11ac希望透过波束成形来提高效能,但得等Wave 2才会开始支持。

其三,IEEE 802.11ac分成Wave 1、Wave 2两波推行,Wave 2将以正式版标准推行,现阶段为Wave 1,有许多功效是Wave 1所不具备的,如160MHz通道频宽、发送上的波束成形(Transmit Beamforming;TxBF)等,这些技术预估要2014年、2015年才会正式到来,但在此之前,已有晶片业者为了争取市场,提前提供Wave 2才具备的功效,虽有好处,但不一定合乎日后标准。


其四,最早推出11ac晶片的业者为Quantenna,于2011年11月推出,而后Redpine Signals于12月推出,不过Quantenna、Redpine Signals均属相当高阶技术定位的晶片业者,真正一般定位的为Broadcom,于2012年1月正式推出11ac晶片。


如此算来,11ac晶片至今仅经过市场约18个月的历练,若以2013年6月COMPUTEX才正式有终端产品展露来算,恐怕也仅1年时间。



图二 : 市场上主要11ac芯片规格功效比较
图二 : 市场上主要11ac芯片规格功效比较

天线数的现实问题

除此之外,技术与天线数的现实问题也必须考虑。依据规格标准,11ac允许路由器设置8组天线,终端装置允许设置4组天线,但实际上,4个空间流的信号发送与接收,涉及复杂的调变、解调运算,除上述以技术定位为主的Quantenna、Redpine Signals业者外,多数晶片业者仅提供3天线以下的方案。


即便采行3天线,以手机而言,几乎不可能有空间、体积设置3组天线,仅能设置1组,MIMO功效难以实现,而对平板、笔电等产品,设置3组天线亦有挑战难度,因此Broadcom在推行1年以上的11ac晶片方案后,在2013年COMPUTEX展期间也推行低成本的2天线方案,迁就装置端的设计现实,同时也满足低价化产品的需要,如电视盒、媒体配接器等。


同样的,无线路由器方面目前也以3天线为主,尚未做到MU-MIMO的水准,无法同时服务2个以上的11ac装置,有的路由器虽具备6天线,但实际上是3组传统11n、 3组11ac,同时发送在2.4GHz频段与5GHz频段,而非6天线均用于11ac的5GHz频段。不过此种设计有优点,外型已具备6天线,未来只要更动内部设计,很快可以成为6天线版的11ac路由器。


另外,11n每个通道频宽20MHz,相容原有的11g,但也可选用40MHz,使传输率加倍。类似的,11ac相容原本11g的20MHz、11n的40MHz,但还可以进一步选用80MHz、160MHz,使传输率增成2倍、4倍之多。不仅于此,11n最多64QAM调变发送,11ac则可进一步到256QAM调变。


再者,11ac也有诸多选用功能,例如低密度的查核码(Low-Density Parity Check Code;LDPC)、STBC(Space-Time Block Coding)、TxBF(Transmit Beamforming),以及较短的频段防护间隔(Short Guard Interval;SGI),即从800nS(奈秒)缩短成400nS。


由此可知,11ac晶片可能如11n晶片一样,装置端4天线版仍会是利基定位,3天线以下版为主流,手持式更会维持1天线。


现实与理想

由以上描述可看出,最终极强悍的11ac是8组天线同时用上,通道频宽160MHz,且使用256QAM调变,码率5/6,防护间隔400nS等,但实际上能否做到呢?目前的答案为否。


由于11ac技术范畴广大,业界将分两波、两阶段实施,第一阶段(Wave 1)仍会以80MHz为主,第二阶段才会采行160MHz,同时第一阶段也是以3组天线为主,第二阶段才会导入4组天线。


所以,目前的11ac产品多仅标榜可达Gbps以上传输率,一般约是1.3Gbps,这个数据是用3组天线,每组都用400nS间隔、80MHz通道频宽的组态,如此每组天线433.3 Mbps,乘3倍即约1.3Gbps。



图三 : 11ac将在WAVE 2引入MU-MIMO机制
图三 : 11ac将在WAVE 2引入MU-MIMO机制

MU-MIMO是主要差别

从上述也可看出,11ac的加速手法与11n大体无异,只是更强化精进,但有一点是11ac明显与11n不同的,即11n仅有MIMO,但11ac有MU-MIMO(MU即Multi- User多使用者之意),可让一个11ac路由器同时服务2个终端,不再是一个时间内只能服务一个。


因此,所谓的11ac最高8组天线,不能8组都服务单一装置,单一装置最多获得4组天线的服务,若再将160MHz频宽用上,每组天线866.7Mbps,4组天线约3.47Gbps,这也是11ac的传输极限。


换言之,如果笔电、电视内有4组11ac天线,则最高可获得3.47Gbps的传输率,但若天线数减少,传输率也会下降,如果是手机内仅允许1组Wi-Fi天线,则传输率就会限缩在866.7Mbps(160MHz,400nS)内,现阶段则多为433.3Mbps(80MHz,400nS)。


新款Apple AirPort Extreme有6组天线?

最后,近期(2013年6月)苹果推出的新款AirPort Extreme宣称有6组天线,是表示已经支援11ac的MU-MIMO功效吗?答案为否,所谓的6组天线,仅是11n使用3组,11ac使用3组,而非11n或11ac已达4组天线的水准,更没有达MU-MIMO的终极境界。


正式版仍需要等待

展望未来,若以11n模式来看,11ac的正式版恐怕也是要好事多磨,11n也是从Draft 2.0开始商业化偷跑,约自2007年初开始,一直到2009年10月才完成正式版,过程中出现过11份草版。同样的,11ac从2012年6月的Draft 2.0版开始,之后又宣布正式版订立进度延宕,目前为Draft 3.0版,看来正式版仍需要等待一段时间。


此外,WiGig/IEEE 802.11ad虽无法穿墙传输,但可以两装置间以极限的7Gbps速率传输,因应无压缩Full HD传输播放并无问题,日后若进一步提升传量,达12Gbps,则可以无压缩播放4K视讯。


11ac更快的传量很明显需要应用来消耗,然最可能的即是视讯应用,11ac勉强能因应Full HD不压缩的即时播放传输,但11ad比11ac更能胜任此工作,加上无法100%取代全球通用的11n(2.4GHz),使11ac处于一个上下尴尬的位置。加上11ac与11n相同,带入了大量的选用性标准,使测试验证、互通验证更困难,此能让业者产品在市场上更有竞争机会,但同时市场也会因不一的产品功效能耐而紊乱。


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