分析再创WI-FI市场高峰的802.11N

 

    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

 

[Page]码率的强化 

    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。