802.11n是在802.11g和802.11a之上發展起來的一項技術,最大的特點是速率提升,理論速率最高可達600Mbps(目前業界主流為300Mbps)。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz兩個頻段。
Wi-Fi聯盟在802.11a/b/g後面的一個無線傳輸標準協議, 為了實現高帶寬、高質量的WLAN服務,使無線區域網達到乙太網的性能水平,802.11任務組N(TGn)應運而生。802.11n標準至2009年才得到IEEE的正式批准,但採用 MIMO OFDM技術的廠商已經很多,包括華為、騰達、TP-Link、D-Link、Airgo、Ubiquiti、Bermai、Broadcom以及傑爾系統、Atheros、思科、Intel等等,產品包括無線網卡、無線路由器等。
IEEE 802.11ac,是一個802.11無線區域網(WLAN)通信標準,它通過5GHz頻帶(也是其得名原因)進行通信。理論上,它能夠提供最多1Gbps帶寬進行多站式無線區域網通信,或是最少500Mbps的單一連接傳輸帶寬。
802.11ac是802.11n的繼承者。它採用並擴展了源自802.11n的空中接口(air interface)概念,包括:更寬的RF帶寬(提升至160MHz),更多的MIMO空間流(spatial streams)(增加到 8),多用戶的 MIMO,以及更高階的調製(modulation)(達到 256QAM)。
802.11ac與802.11n相比主要有四大技術演進:更寬的頻寬綁定、更多的空間流、更先進的調製技術以及更靈活的MIMO機制。
一、信道綁定
增加無線電傳輸速度的一個簡單而高效的方法就是給它更多的頻率或者帶寬,802.11a/b/g時代信道只有20MHz,為了獲得更多的帶寬,802.11n引入了信道綁定的技術,將兩個20MHz的信道捆綁在一起,如今802.11ac能夠支持80MHz的信道,即綁定4個信道,並且最高可以支持綁定8個信道,從而整個信道能夠到達160MHz。如果將頻譜資源比喻成馬路的話,802.11a/b/g時代就好像是單車道,承載能力有限,而到了802.11n時代發展為雙車道,大大提高了流量,而802.11ac可以達到8車道,承載能力可想而知(如圖1所示)。
圖1 802.11ac的理論頻寬最高可達160MHz
表面看來,信道綁定的方式可以帶來更高速率,但是在中國卻有著一個必須解決的現實問題——5GHz頻段頻譜資源有限。在北美,2.4GHz頻段有83.5MHz(3個不重疊的信道)的帶寬,而5GHz頻段能夠承載的流量是2.4GHz的6倍,而且5GHz頻段環境相對比較理想。而在中國,2012年之前5GHz頻段可用資源只有100MHz(5725-5825MHz),這就意味著在802.11a標準中,只有一個可用信道(80MHz),如果要實現蜂窩部署,沒有足夠多的信道可用(如圖2所示)。隨著工信部在2012年底關於5GHz頻段的正式發文,上述問題得到了緩解,工信部明確發布了5150-5350MHz頻段的使用事宜,並且還在考慮進一步開放更多的頻譜資源。這就意味著在802.11ac標準下,現有頻譜資源至少可以保證有三個互不幹擾的80MHz的信道可用,工信部的這一舉措將大大加快802.11ac的商用過程,也是國家著力推廣無線的一個標誌。
圖2 不同標準下的信道劃分
二、8路數據流
802.11ac沿用了802.11n的MIMO技術,採用多天線技術,可以在不消耗更多帶寬以及不增加傳輸功耗的前提下,增加數據吞吐量。這種方法把能量分散到多個天線上,從而使得每赫茲傳輸的數據更多,而總能耗保持不變,與此同時多天線設計還增加了可靠性。同樣用道路來作比喻,如果說信道綁定只是增加了某一條馬路的車道數量,那麼MIMO技術則是增加了馬路的數量,這同樣也大大提高了馬路承載能力,可以通過更多的車流量(如圖3所示)。
圖3 802.11ac的MIMO方式理論最高8個空間流
802.11n理論最多可以支持4路數據流,而802.11ac則可以支持8路數據流。在802.11n標準商用過程中,晶片廠商用了大約兩年的時間,才增加了一路數據流,商用晶片最高也只做到了3路數據流,由於成本和實際性能的原因,4路空間流的商用晶片一直未能面世,而要實現8路數據流的商用難度將會更大,目前為止商用的晶片還是以3路空間流為主。
三、256QAM調製技術
802.11ac技術也是通過物理方式加大信號承載密度實現的,在信號調製層面802.11n是採用64QAM,而802.11ac則達到了256QAM。QAM發射信號集一般用星座圖表示,每一個星座點對應一個信號,星座點數越多,傳輸的信息量就越大,常見的形式有16QAM、64QAM、256QAM,802.11ac協議標準採用的是256QAM,所以單載波承載的數據量可以達到8個比特(bit),而802.11n只能達到6個比特(bit),所以吞吐量也隨之增加(如圖4所示)。
圖4 64QAM與256QAM的星座圖
形象點來說,802.11n時代馬路上運輸的交通工具是小轎車,而現在802.11ac時代變成了大貨車,運輸能力自然比以前更大了(如圖5所示)。但是新的調製方案雖然增加了單個載波承載的比特數,同時也相對增加了調製的複雜度,在實際應用中對於信號的穩定性和抗幹擾要求更高,需要更佳專業的無線規劃和實施經驗。
圖5 256QAM調製技術提高單載波數據量
四、多用戶MIMO(MU-MIMO)
802.11ac技術演進中還有一個最令人期待的技術,即多用戶MIMO(MU-MIMO),之所以這麼說是因為它會提高單個AP無線接入的終端數,緩解高密部署這一歷史難題。802.11n技術中,同一時間MIMO只允許單用戶使用,而802.11ac可以支持多用戶MIMO,這意味著單個802.11ac的AP可以向兩個或多個設備傳送不同的數據流。我們可以想像一下走高速道路經過收費站時的情景,無論道路是幾車道,要是收費站的關卡數量不夠或者效率低下,就會引起堵車;同樣,上文介紹的技術只是提高了高速道路的承載量,那麼MU-MIMO將會是提高收費站效率的關鍵技術。可惜,目前第一代802.11ac晶片並不支持這個特性,第二代晶片會在 2014年底推出,到那時才會支持MU-MIMO。
總的來說,未來802.11ac會給Wi-Fi市場帶來很大的革新,新的技術將會帶來新的Wi-Fi體驗,802.11a/b/g將成為歷史,802.11n也將逐漸變得平庸,802.11ac將成為WLAN市場的主宰。
從核心技術來看,802.11a c是在802.11a無線Wi-Fi標準之上建立起來的,包括將使用802.11a的5GHz頻段。不過在通道的設置上,802.11ac將沿用802.11n的MIMO(多進多出)技術,為它的傳輸速率達到1Gbps打下基礎。
802.11ac每個通道的工作頻率將由802.11n的40MHz,提升到80MHz甚至是160MHz,再加上大約10%的實際頻率調製效 率提升,最終理論傳輸速度將由802.11n最高的600Mbps躍升至1Gbps。當然,實際傳輸率可能在300Mbps~400Mbps之間,接近目前802.11n實際傳輸率的3倍(目前802.11n無線路由器的實際傳輸率為75Mbps~150Mbps之間),足以在一條信道上同時傳輸多路壓縮視頻流。
此外,802.11ac還將向後兼容802.11全系列現有和即將發布的所有標準和規範,包括即將發布的802.11s無線網狀架構以及 802.11u等。安全性方面,它將完全遵循802.11i安全標準的所有內容,使得無線Wi-Fi能夠在安全性方面達到企業級用戶的需求。
根據 802.11a c的實現目標,未來802.11ac將可以幫助企業或家庭實現無縫漫遊,並且在漫遊過程中能支持Wi-Fi產品相應的安全、管理以及診斷等應用。
802.11ac將會變得越來越快,正如前面我們所提到的,802.11ac的理論最大值可達到7Gbps。雖然在實際生活和應用中並不會真正達到理論最大值,但是在未來的幾年內如果下載速度被提升到了2Gbps,你也千萬不要驚訝,256mb/秒的下載速度將會變得非常主流。
現在,越來越多的硬體設備製造商開始找尋如何能夠真正發揮802.11ac潛力的產品。博通(Broadcom)、高通(Qualcomm)、聯發科(MediaTek)、Marvell和英特爾(Intel)都開始準備在802.11ac標準上發力。另一方面,IEEE草案規範已經經歷了數輪投票,Wi-Fi聯盟的Greg Ennis表示,最終的IEEE決定預計將在2014年年初。所以,如果你從現在開始在市場看到越來越多的802.11ac產品走進你的視線,千萬不要懷疑,這就是未來的趨勢。
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