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優化WLAN效能 實現Wi-Fi 7高速無線傳輸
更高的速度和頻寬

【作者: 王岫晨】   2024年01月30日 星期二

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WLAN是用於數據通訊的無線技術,使用乙太網路透過區域網路傳送。這項技術最初由電池供電的裝置(如筆記型電腦)率先採用,而後隨著智慧型手機應用的出現和成長而快速擴展。


WLAN發展歷史

當1997年發佈規範WLAN技術的第一版(IEEE 802.11)標準時,該技術僅支援2.4GHz頻段,最大傳輸速度為2Mbps。在1999年發佈IEEE 802.11b標準(支援2.4GHz頻段,最大傳輸速度11Mbps)和802.11a標準(支援5GHz頻段,最大傳輸速度54Mbps)後,也正式開啟了5GHz頻段的應用。儘管後續在5GHz頻段中進行了擴展,但在可用頻譜資源上並沒有顯著的變化。而在大約20年後,WLAN首次增加新的頻段分配。



圖一 : 2026年的Wi-Fi技術採用比重(source:Aruba)
圖一 : 2026年的Wi-Fi技術採用比重(source:Aruba)

2.4/5GHz頻段的挑戰

當WLAN剛出現之際,支援這項技術的裝置數量並不多,由於數據流量也很小,因此在頻率限制方面並無太大問題。然而,隨著智慧手機用量的爆炸式增加與發展,以及新的視訊串流分佈式服務成長,提高了對於WLAN通訊的需求,也帶來了重大變化。


為了滿足不斷成長的需求,WLAN技術持續發展,並結合了更寬的通道頻寬、高階調變以及空間多工。然而,對於快速成長的WLAN通訊而言,所能使用的頻寬在20年來幾乎沒有太大的改變,因此,WLAN分配到的頻譜資源變得很擁擠,至今仍難以實現穩定的高速數據通訊。這樣的情況遇到了疫情所引起的工作型態改變,例如遠端工作和線上學習等,帶來新的通訊需求,更進一步加劇了這些難題。


2.4與5GHz頻段的問題在於固定頻率範圍難以滿足需求,2.4GHz頻段開放80MHz,5GHz頻段開放500MHz,共計580MHz的最大頻寬,具體還得取決於雷達的使用情況。


由於2.4GHz頻段允許其他無線設備免授權使用,例如微波爐、藍牙、ZigBee以及特別是各種低功率裝置,但在短距離範圍內同時使用可能引起通訊干擾問題。而近年來不只是因為WLAN裝置快速成長,藍牙(真無線藍牙耳機和智慧音箱)等裝置也迅速增加,因而造成了嚴重的擁塞。


5GHz頻段優先將500MHz頻寬中的320MHz優先用於氣象雷達和船艦雷達,而WLAN則僅在不至於干擾到這些服務的條件下才獲授權使用。不支援動態頻率選擇(DFS)功能的裝置,在偵測到雷達波時會自動切換WLAN頻率,使其只能使用最多約180MHz的頻寬通訊,而且有些裝置僅支援這一頻譜,但並不需要DFS功能。


802.11ax(Wi-Fi 6/6E)

WLAN技術作為基礎設施的重要性,即使在5G物聯網時代也未曾改變。同時,WLAN標準也在持續發展中,以協助實現下一代應用,包括AR/VR和高解析視訊串流應用。世界各地正相繼推出Wi-Fi 6E,許多國家或地區也已經為免授權頻段發佈了6GHz頻譜,藉由大幅增加使用高達1200MHz頻寬的通道數量,以更快的速度提供更好的連接性。


Wi-Fi 6/6E除了實現高效率,還支援更低延遲、減少干擾、更大容量以及更高可靠性。此外,在提高安全性方面也取得了重大進展。下一代的Wi-Fi 7更增加了頻率使用效率等功能,同時提高整體傳輸效率,用以實現超高傳輸效率。


802.11be(Wi-Fi 7)

IEEE 802.11be(Wi-Fi 7)標準的問世,目的在實現比之前802.11ax更快速度和更大容量的無線通訊。Wi-Fi 7延續支援802.11ax的6GHz頻段,通道寬度擴展至320MHz,並將使用4096 QAM(正交振幅調變)和16個空間串流。Wi-Fi 7由於提供超過30Gbps的高數據傳輸效率和低延遲,將成為支援4K以上更高解析視訊串流、AR和VR等新應用和服務的關鍵技術。


為了實現極高的數據吞吐量,IEEE 802.11be標準支援高達4096QAM和320MHz頻寬。這意味著支援該標準的設備需要更高的調變準確度(EVM),以及在320MHz頻寬上均勻分佈的功率。Wi-Fi 7能支援至少30Gbps的最大傳輸效率。為了實現這一目標,將增加更寬通道、更高調變機制和多重連接模式等新功能的支援。


6GHz頻段的挑戰

FCC開放6GHz頻段作為未授權頻段,解決了2.4/5GHz頻段的許多問題。


●支援達1.2GHz的較寬頻段,解決擁塞問題


●最終落實以160MHz通道進行操作


●支援僅由IEEE 802.11ax裝置配置的高速、高效率網路


●支援以最新WPA3技術保護的安全網路


儘管6GHz頻段具有許多明顯的優勢。然而到現在,這一頻段還無法自由地用作WLAN資源,因為先前已將優先權分配給獲授權的系統了。為了確保高可靠性的通訊而不至於對其他服務造成干擾等問題,支援6GHz頻段的裝置必須內建自動頻率協調(Automated Frequency Coordination;AFC)功能,以便限制發射(Tx)功率和抑制干擾。


由於允許的可用頻率、Tx功率和功率密度根據裝置的用途和位置不同而有差異,因此,開發6GHz頻段的WLAN產品必須依據其產品分類,充份評估產品是否符合規定。


6GHz頻段先前一直用於無線通訊,但只有特定的通訊業務才能獲得授權,而且無線產品的數量也受到限制。大多數裝置在移動中無法進行通訊,但由於使用在兩個固定點之間進行通訊,因此無線設備較大且使用穩定的電源。此外,該配對通訊裝置之一雖使用了部份頻譜,但並未佔用整個1200MHz頻段。


測試解決方案

WLAN標準具有許多已定義的調變和編碼方案(MCS),需要確保在MCS、通道頻寬和其他操作條件下多種組合的效能。由於IEEE 802.11be標準引入了擴展通道頻寬、4096 QAM和Multi-RU,因此工程師需要評估額外的測試模式。


此外,他們還被要求檢查與傳統802.11的向後相容性。隨著802.11標準的新版本推出,設備供應商一直在面臨的挑戰是更換測試設備,其導致了高額的資本投資。


IEEE 802.11be測試解決方案必須能支援320MHz通道的頻寬。以安立知的無線連接測試儀MT8862A為例,便支援了測試通道頻寬達320MHz的802.11be設備之RF TRx特性。客戶只需添加所需選項即可升級現有的MT8862A,以最少成本就可以支援802.11be的測試。此外,MT8862A使工程師能夠使用數值結果和頻譜圖來驗證平坦性能,其可根據數值結果以及直觀的射頻特性來進行通過與失敗評估。


MT8862A也可透過遠端指令實現自動化測試,全面支援IEEE 802.11be以及先前的802.11標準,實現一台儀器對多種標準的支援。自動化使得設定每個802.11標準的MCS參數和頻寬,以及IEEE 802.11be multi-RU參數變得更加容易。這在處理因新技術而引入的複雜組合時非常有用,有助於優化所需的測試資源和開發成本。


結語


圖二 : Wi-Fi 7將調製方案改進為4096QAM(source:MSI)
圖二 : Wi-Fi 7將調製方案改進為4096QAM(source:MSI)

Wi-Fi 7的主要特點是更高的速度和頻寬。透過更廣泛的頻譜範圍和更複雜的調製技術,Wi-Fi 7能夠提供比當前標準更快的數據傳輸速率,實現更快速的下載和上傳速度。


而Wi-Fi 7的測試挑戰不僅在於評估其技術性能,還在於確保實際應用中的可靠性、安全性和相容性。透過全面的測試和評估,可以確保Wi-Fi 7能夠有效地應對未來無線通信的需求和挑戰。


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