原创 Wi-Fi 6 -无线技术大飞跃

2019-11-25 14:59 918 3 2 分类: 通信

Allion Labs / Joe Lee

今日的世界,无线信号在我们周遭早已无所不在,对于网络的需求已经不再只是上网浏览数据,一般的传输已无法满足各式各样的需求,更多的挑战如高质量的多媒体传输、4K甚至8K画质和蓝光影片、甚至要能提供大量的使用者同时联机、高效率各式各样的无线产品使用等等需求,如此对于网络尤其是无线网络环境将是个很大的挑战,因此在无线的技术上势必提升更先进的技术来满足更强大的无线网络需求。

成立20周年的Wi-Fi联盟基于IEEE 802.11ax的标准,于今年9月推出了全新的Wi-Fi认证Wi-Fi CERTIFIED 6™Wi-Fi 第六代的推出也代表无线网络正式迈入一个新的里程碑,满足了现代社会人们对于无线网络的需求,提供速度更快、安全性更高、更省电的无线传输。

综观Wi-Fi联盟于1999年成立,至今茁壮了20年,联盟为了无线产品的质量与互操作性基于IEEE 802.11的标准发展了许多的测试与认证,于2018年底开始以世代的命名方式为其支持的标准分类。从一开始的Wi-Fi CERTIFIED a/b/g成长期,到2009年推出的第四代Wi-Fi CERTIFIED n将整个Wi-Fi产品带入的成熟的阶段,2014年推出更新的第五代Wi-Fi CERTIFIED ac更是导入许多的无线技术,到今年Wi-Fi联盟推出的新時代第六代Wi-Fi 6认证,每一个时代都代表无线网络加入许多的新技术,下表是各个Wi-Fi时代的传输速度。

从技术的角度分析,每一代的Wi-Fi使用了不同的带宽、调变、安全性与数据流等等,当然有着不同的传输能力并且持续采用更新的技术,各项表现透过以下表格说明:

Wi-Fi 6最大的变革,除了大幅提升原有第四代与第五代的速度外,在安全性的部分也采用目前最高 WPA3 安全性等级;而长久以来Wi-Fi的最大问题在于耗电的部分也有提出方案,以目前IoT产品充斥市面的现况并与网络相辅相成,Wi-Fi技术在此绝不能缺席IoT的世界,因此提出了省电的技术来协助IoT兼具快速传输能力与提高产品的电力续航能力。接着Wi-Fi 6的关键技术讨论:


A. OFDMA (orthogonal frequency division multiple access)

原本的Wi-Fi使用OFDM技术,而OFDMA在带宽的分配上将更有效率,举例来说:原本每位使用者拥有相同的时间槽,全部的使用者皆被分配到相同的资源,每隔一个周期被安排资源一次,但在实际的运用上浏览网页或传信息的用户在使用量上会比看电影的少,若透过OFDMA则可将资源做更细部的切割,OFDMA的资源依照使用者的需求不同而调整,因此在使用上将更有弹性的调整分配,而且分配到的周期也不再是固定的,如此更能提高带宽使用率与降低延迟的产生。


B. 1024 QAM (quadrature amplitude modulation)

正交振幅调变是透过在载波上进行振幅调变的方式传送信号,在802.11n 使用64QAM,到了802.11ac则使用了256QAM,最新的Wi-Fi 6则使用更高的1024QAM。可看到1024 QAM在星座图上更为密集,由于载波之间的间隔更密集,因此对EVM的要求更为严格,也因为科技的进步让电子组件更为可靠、震荡器更为精准,因此原视为极限的256 QAM能继续向上发展。透过如下的星座图可以看到802.11ax使用的1024QAM 802.11ac使用的256QAM,在传送时可以增加更多的容量,Wi-Fi 6使用1024 QAM单一技术就能比上一代增加1/4的速度,同时在MCS 的部分则定义支持更多从0~11的调变编码。


C. MU-MIMO (Multi-user multiple input, multiple output)

MIMO多进多出的技术并非新的技术,在802.11n即有设备开始运用,以往的单一使用者SU(Single User)仅能在一个时间内提供一位使用者MIMO的传输,渐渐802.11ac提升到多使用者MU(Multi User) Downlink时候能提供最大4(4 Spatial Streams)服务,最新的Wi-Fi 6 支持到最高8天线的设计,则能同时提供MU Downlink Uplink 同时8 Spatial Streams的传输进行。


D. TWT (Target wake time)

Wi-Fi 6 拥有传输速度快、构建成本低等优势,且在生活上早已广为被接受,但其缺点为较为耗电、待机时间短,然而,今日在智能生活的架构下,各种IoT产品早广为人们所使用,IoT其需要的特性为待机时间长,事实上许多传感器的待机时间高达95%,因此Wi-Fi 6也针对这一需求,加入TWT技术来改善待机与电力消耗问题。

TWT技术能定义每个装置的Wake Time,让装置在不使用时进行休眠,一段时间才回到Awake。以下图来看,Access PointBeacon信息里面表示了TW时间,不同的设备定义了不同的TW时间,举例来说物体传感器的TW会较短,温湿度侦测器的TW可以较长,在TW时间到达时才送出Trigger信息让设备Wake up后进行运作,在此之前的设备皆在休眠的状况,如此即能简单且有效的达到省电的效果。


E. BSS coloring

以往的无线网络传输,当环境过于忙碌时,数据就会产生碰撞,导致不停的重传影响效率,因此使用了CSMA/CD机制来避免数据的碰撞,CSMA/CD做法为当每次要传输前,先监听通道是否正在传输,若通道净空则可以传输,如此机制虽然容易设计,但在若遇到忙碌的无线环境下,将导致过多的等待时间。

BSS coloring则利用一个Header,来标记每个存取点所属于的颜色,以图来说明,被标示为同一个颜色的 BSS Color,在传输时会忽略其他 颜色的BSS Color,即使是同一个频道,也会因为忽略了其他BSS Color的干扰,因此可减少等待的时间,尤其在目前无线网络普遍存在拥挤的状况下,如此机制能对抗干扰与有效提高传输效率。

Wi-Fi 6 透过加入了前述的新技术能有效增加原有的传输速度、在资源的使用上也更为有效率,更强的抗干扰与同时多人多任务传输、并且具电力管理的省电机制。除此之外Wi-Fi 6也具有向下兼容的能力 802.11a/b/g/n/ac,也提升了安全性与优化的频谱运用,因此Wi-Fi 6的测试认证除Wi-Fi 6本身之外还需要执行以下相关的测试,全部通过即表示产品拥有Wi-Fi 6的绝对高质量与性能。图案小三角形为Wi-Fi 5认证所必须执行项目,大三角形为Wi-Fi 6所必须执行项目。

1.    Wi-Fi CERTIFIED™ n

2.    Wi-Fi CERTIFED™ ac

3.    Wi-Fi CERTIFED WPA3™

4.    Wi-Fi CERTIFIED Agile Multiband™ (MBO)

5.    Protected Management Frames (PMF)

百佳泰在众多实验室中,目前拥有3Wi-Fi 联盟认可的Wi-Fi 6测试设备,是目前拥有最多设备的实验室,也有最高效率的测试时间;另外协会推出的其他30项的测试项目,目前亚洲地区的认可实验室中,也仅有百佳泰能完全执行全部项目。

 

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curton 2019-12-2 20:50

学习了
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