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現行11ac系統設計的挑戰
11ac處於尷尬位置

【作者: 陸向陽】   2014年04月08日 星期二

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經過1年的行銷攻勢,多數人已知道11ac的重點強調,如第5代Wi-Fi、Wi-Fi首次能突破1Gbps通量等,另外天線數可達8組,通道頻寬可至160MHz,調變可至256QAM等,相對的,過往的11n僅能4組天線、40MHz頻寬、64QAM調變。但實際上11ac能實現所有規格嗎?此恐怕有些疑問,以下對此說明。


現階段採行IEEE 802.11ac具有多項風險。首先,IEEE 802.11ac正式標準尚未定案,目前僅有Draft 3.0(技術提案草擬版,第3版)可以依循。


其次,即便是Draft 3.0版,Wi-Fi聯盟自今(2013)6月才正式開通測試認證服務,此意味著目前僅有少數晶片通過認證。然而,去(2012)年的11ac晶片可能仍以Draft 2.0標準為主,能否透過韌體更新升級成Draft 3.0,甚至是更後期的草版標準,也必須事先考慮與確認,若比較11n的發展歷程,總共歷經11次草版修訂,歷時3年,因此晶片商能否承諾持續跟盯新版標準,也成為評估重點。



圖一 : 11ac希望透過波束成形來提高效能,但得等Wave 2才會開始支援。
圖一 : 11ac希望透過波束成形來提高效能,但得等Wave 2才會開始支援。

其三,IEEE 802.11ac分成Wave 1、Wave 2兩波推行,Wave 2將以正式版標準推行,現階段為Wave 1,有許多功效是Wave 1所不具備的,如160MHz通道頻寬、發送上的波束成形(Transmit Beamforming;TxBF)等,這些技術預估要2014年、2015年才會正式到來,但在此之前,已有晶片業者為了爭取市場,提前提供Wave 2才具備的功效,雖有好處,但不一定合乎日後標準。


其四,最早推出11ac晶片的業者為Quantenna,於2011年11月推出,而後Redpine Signals於12月推出,不過Quantenna、Redpine Signals均屬相當高階技術定位的晶片業者,真正一般定位的為Broadcom,於2012年1月正式推出11ac晶片。


如此算來,11ac晶片至今僅經過市場約18個月的歷練,若以2013年6月COMPUTEX才正式有終端產品展露來算,恐怕也僅1年時間。



圖二 : 市場上主要11ac晶片規格功效比較
圖二 : 市場上主要11ac晶片規格功效比較

天線數的現實問題

除此之外,技術與天線數的現實問題也必須考慮。依據規格標準,11ac允許路由器設置8組天線,終端裝置允許設置4組天線,但實際上,4個空間流的信號發送與接收,涉及複雜的調變、解調運算,除上述以技術定位為主的Quantenna、Redpine Signals業者外,多數晶片業者僅提供3天線以下的方案。


即便採行3天線,以手機而言,幾乎不可能有空間、體積設置3組天線,僅能設置1組,MIMO功效難以實現,而對平板、筆電等產品,設置3組天線亦有挑戰難度,因此Broadcom在推行1年以上的11ac晶片方案後,在2013年COMPUTEX展期間也推行低成本的2天線方案,遷就裝置端的設計現實,同時也滿足低價化產品的需要,如電視盒、媒體配接器等。


同樣的,無線路由器方面目前也以3天線為主,尚未做到MU-MIMO的水準,無法同時服務2個以上的11ac裝置,有的路由器雖具備6天線,但實際上是3組傳統11n、3組11ac,同時發送在2.4GHz頻段與5GHz頻段,而非6天線均用於11ac的5GHz頻段。不過此種設計有優點,外型已具備6天線,未來只要更動內部設計,很快可以成為6天線版的11ac路由器。


另外,11n每個通道頻寬20MHz,相容原有的11g,但也可選用40MHz,使傳輸率加倍。類似的,11ac相容原本11g的20MHz、11n的40MHz,但還可以進一步選用80MHz、160MHz,使傳輸率增成2倍、4倍之多。不僅於此,11n最多64QAM調變發送,11ac則可進一步到256QAM調變。


再者,11ac也有諸多選用功能,例如低密度的查核碼(Low-Density Parity Check Code;LDPC)、STBC(Space-Time Block Coding)、TxBF(Transmit Beamforming),以及較短的頻段防護間隔(Short Guard Interval;SGI),即從800nS(奈秒)縮短成400nS。


由此可知,11ac晶片可能如11n晶片一樣,裝置端4天線版仍會是利基定位,3天線以下版為主流,手持式更會維持1天線。


現實與理想

由以上描述可看出,最終極強悍的11ac是8組天線同時用上,通道頻寬160MHz,且使用256QAM調變,碼率5/6,防護間隔400nS等,但實際上能否做到呢?目前的答案為否。


由於11ac技術範疇廣大,業界將分兩波、兩階段實施,第一階段(Wave 1)仍會以80MHz為主,第二階段才會採行160MHz,同時第一階段也是以3組天線為主,第二階段才會導入4組天線。


所以,目前的11ac產品多僅標榜可達Gbps以上傳輸率,一般約是1.3Gbps,這個數據是用3組天線,每組都用400nS間隔、80MHz通道頻寬的組態,如此每組天線433.3Mbps,乘3倍即約1.3Gbps。



圖三 : 11ac將在WAVE 2引入MU-MIMO機制
圖三 : 11ac將在WAVE 2引入MU-MIMO機制

MU-MIMO是主要差別

從上述也可看出,11ac的加速手法與11n大體無異,只是更強化精進,但有一點是11ac明顯與11n不同的,即11n僅有MIMO,但11ac有MU-MIMO(MU即Multi-User多使用者之意),可讓一個11ac路由器同時服務2個終端,不再是一個時間內只能服務一個。


因此,所謂的11ac最高8組天線,不能8組都服務單一裝置,單一裝置最多獲得4組天線的服務,若再將160MHz頻寬用上,每組天線866.7Mbps,4組天線約3.47Gbps,這也是11ac的傳輸極限。


換言之,如果筆電、電視內有4組11ac天線,則最高可獲得3.47Gbps的傳輸率,但若天線數減少,傳輸率也會下降,如果是手機內僅允許1組Wi-Fi天線,則傳輸率就會限縮在866.7Mbps(160MHz,400nS)內,現階段則多為433.3Mbps(80MHz,400nS)。


新款Apple AirPort Extreme有6組天線?

最後,近期(2013年6月)蘋果推出的新款AirPort Extreme宣稱有6組天線,是表示已經支援11ac的MU-MIMO功效嗎?答案為否,所謂的6組天線,僅是11n使用3組,11ac使用3組,而非11n或11ac已達4組天線的水準,更沒有達MU-MIMO的終極境界。


正式版仍需要等待

展望未來,若以11n模式來看,11ac的正式版恐怕也是要好事多磨,11n也是從Draft 2.0開始商業化偷跑,約自2007年初開始,一直到2009年10月才完成正式版,過程中出現過11份草版。同樣的,11ac從2012年6月的Draft 2.0版開始,之後又宣布正式版訂立進度延宕,目前為Draft 3.0版,看來正式版仍需要等待一段時間。


此外,WiGig/IEEE 802.11ad雖無法穿牆傳輸,但可以兩裝置間以極限的7Gbps速率傳輸,因應無壓縮Full HD傳輸播放並無問題,日後若進一步提升傳量,達12Gbps,則可以無壓縮播放4K視訊。


11ac更快的傳量很明顯需要應用來消耗,然最可能的即是視訊應用,11ac勉強能因應Full HD不壓縮的即時播放傳輸,但11ad比11ac更能勝任此工作,加上無法100%取代全球通用的11n(2.4GHz),使11ac處於一個上下尷尬的位置。加上11ac與11n相同,帶入了大量的選用性標準,使測試驗證、互通驗證更困難,此能讓業者產品在市場上更有競爭機會,但同時市場也會因不一的產品功效能耐而紊亂。


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