新一代Wi-Fi系統: Wi-Fi Mesh AP專題系列(一)

Allion Labs/ Ryan Huang

Wi-Fi無線網路在現今家庭中扮演著不可或缺的角色。舉凡家庭成員經常使用的智慧手機、平板、各式3C產品,甚至是智慧電視、家電等物聯網的應用,都需先透過家中的Wi-Fi無線區域網路,再連上網際網路以享有更多的線上功能跟雲端服務。為了確保家中物聯網設備都能夠連上Wi-Fi,零死角Wi-Fi無線區域網路的需求便孕育而生。

圖1:在智慧家庭中,Wi-Fi無線網路連線是物聯網應用的重要關鍵

 

以往常見擴大Wi-Fi無線訊號涵蓋率的方法,不外乎是提高功率、加大天線、加裝橋接器,或是另架設一台無線AP。而加大天線、提高的功率即便再大,也不可能大到超出法定規範,所以單一無線AP所能擴大的涵蓋率有其限制。而用來延伸訊號的橋接器,則是會用掉一半的頻寬來負擔訊號處理,導致傳輸速率無法有效提升。最後,另外架設一台無線路AP來增加無線存取點,則容易發生無線訊號品質不佳狀況。我們舉個簡單的例子,當使用者從AP1移動至AP2附近時,由於AP1提供的無線訊號因未符合能觸發裝置端漫遊的臨界值(一般約-70dB~-75dB),造成裝置端一直維持與原有AP1的連線,而無法切換到另一台訊號較強的AP2,使用者就必須要手動切換無線存取點,在使用上較不方便。

圖2:只架設一台無線AP是無法滿足整個家庭的使用需求

 

相較於上述傳統擴大Wi-Fi無線區域網路訊號涵蓋率的解決方案,新一代Wi-Fi系統-Mesh Wi-Fi可說是目前網通市場上最新、最火紅的產品,一組package通常包括三到四個AP,每台AP都是獨立的路由器,而當其中一台AP扮演主基地台功能時,其他的AP則作為衛星AP,整套系統可提供零死角、大面積的Wi-Fi網路連線。

 

那麼何謂Mesh Wi-Fi?Mesh Wi-Fi的中文名稱為無線網路系統。其特性不像是傳統星狀或樹狀的網路結構只能與上、下層的存取點做溝通,而是每個存取點都能相互連線、溝通,並且同時可以自動尋找傳輸封包時的最佳路徑。

圖3:傳統Wi-Fi佈建與Mesh Wi-Fi的拓樸圖

 

Mesh Wi-Fi系統在技術上也有許多亮點,以往只有在高階或是企業級的無線路由器上才有的功能,如:IEEE 802.11k – Neighbor Report、IEEE 802.11v – Wireless network management、IEEE 802.11r – Fast Transition Roaming、IEEE 802.11x – Network Access Control,這些功能也都出現在消費級的Mesh Wi-Fi產品上。此外,由於Mesh Wi-Fi的網狀網路特性,也讓Mesh Wi-Fi多出了Self-Healing等功能,以下將一一介紹這些在Mesh Wi-Fi上常見的功能。

 

・無縫漫遊 – Seamless Roaming
所謂的無縫漫遊是指將從一台無線AP切換到另外一台無線AP所需的時間控制在毫秒級。它的運作概念是無線裝置在切換AP前透過IEEE 802.11k – Neighbor Report的標準,事先收集當下場域中鄰近AP的資訊將其列表,當訊號減弱時便從其列表中自動找出切換的目標AP。同時也透過IEEE 802.11v – Wireless network management的標準,簡化網路部署與管理的高效能機制,讓裝置在決定可能的切換目標AP時列入考量,確保切換至另一台AP時,其無線網路環境是良好的。另外,無線裝置也會透過IEEE 802.11r – Fast Transition Roaming的標準,預先進行連線認證以縮短切換AP的時間。最後,無線裝置在遇到訊號衰減至漫遊觸發臨界值之際,可以透過以上三個機制、自動漫遊切換到別台AP,並且將控制時間在毫秒級。
那麼,無縫漫遊的好處是什麼呢?舉例來說,當你在使用Line、WeChat、Skype等即時通訊軟體進行語音/視訊通話時,無縫漫遊可以讓使用者在不同存取點之間移動時,不易遇到斷線的情況發生,同時也能享有良好的通話品質。

 

・頻段引導 – Band Steering
頻段引導的功能在一些中高階的消費級無線AP也曾出現過。這項功能是無線AP在收到裝置發出連線需求的封包時,無線AP會進行一連串的驗證,之後將裝置引導到較好的無線環境。普遍上的運用,是當裝置要求連接上無線AP時,無線AP會判斷裝置是否支援5GHz的頻段、訊號強度等。如果一切都符合要求,無線AP便會在5GHz的頻段回應裝置的連線,使裝置連接上網路速率較快、無線干擾較少的5GHz的頻段。

圖4:頻段引導 – Band Steering的運作

 

・自我修復 – Self-Healing
在傳統的星狀或是樹狀網路架構中,會因為其中的某個節點故障斷線而導致其下層後方的連線裝置也跟著斷線,必須手動再連上其他可用的節點。Mesh Wi-Fi的自我修復,則可預防網路環境癱瘓的情境發生。聽起來像是一個很神奇的黑科技,其實就是運用Mesh Wi-Fi網狀網路中每個存取點都能相互連線、溝通的特性。當網路中的某個節點故障時,Mesh Wi-Fi網路會繞過故障節點,讓功能正常的節點相互連結、運作,並且同時自動尋找封包傳輸時的最佳路徑,保持網路內的連線溝通都能正常運作。

圖5:Mesh Wi-Fi每個存取點都能相互連線、溝通的特性,所以可以達成自我修復

 

・裝置引導 – Client Steering
裝置引導同樣是利用IEEE 802.11v – Wireless network management的標準技術,讓無線裝置能獲得該無線AP負載狀況或是當下頻段的資訊,進而判斷是否需切換到其他連線品質更好的AP。如此一來可以有效分散無線裝置到適合的無線AP,不會有所有裝置集中在某顆無線AP拖慢傳輸速度而其他的無線AP卻閒置的窘境。

圖6:透過裝置引導 – Client Steering可以將裝置引導至合適的無線AP

 

本篇文章介紹了Mesh Wi-Fi四大特性,包括無縫漫遊(Seamless Roaming)、頻段引導(Band Steering)、自我修復(Self-Healing)以及裝置引導(Client Steering),而市面上廠商所推出的Mesh Wi-Fi系統,是真得能夠符合Mesh的四大特性、有效實現上述的無線技術嗎? 下回我們會針對不同家的Mesh AP,做規格實際應用、涵蓋範圍以及效能之間的比較, 敬請期待!