Wi-Fi 6 – 無線技術大躍升

Allion Labs / Joe Lee

今日的世界,無線信號在我們周遭早已無所不在,對於網路的需求已經不再只是上網瀏覽資料,一般的傳輸已無法滿足各式各樣的需求,更多的挑戰如高品質的多媒體傳輸、4K甚至8K畫質和藍光影片、甚至要能提供大量的使用者同時連線、高效率各式各樣的無線產品使用等等需求,如此對於網路尤其是無線網路環境將是個很大的挑戰,因此在無線的技術上勢必提升更先進的技術來滿足更強大的無線網路需求。

成立20周年的Wi-Fi聯盟基於IEEE 802.11ax的標準,於今年9月推出了全新的Wi-Fi認證Wi-Fi CERTIFIED 6™,Wi-Fi 第六代的推出也代表無線網路正式邁入一個新的里程碑,滿足了現代社會人們對於無線網路的需求,提供速度更快、安全性更高、更省電的無線傳輸。

綜觀Wi-Fi聯盟於1999年成立,至今茁壯了20年,聯盟為了無線產品的品質與互通性基於IEEE 802.11的標準發展了許多的測試與認證,於2018年底開始以世代的命名方式為其支援的標準分類。從一開始的Wi-Fi CERTIFIED a/b/g成長期,到2009年推出的第四代Wi-Fi CERTIFIED n將整個Wi-Fi產品帶入的成熟的階段,2014年推出更新的第五代Wi-Fi CERTIFIED ac更是導入許多的無線技術,到今年Wi-Fi聯盟推出的新世代第六代Wi-Fi 6認證,每一個世代都代表無線網路加入許多的新技術,下表是各個Wi-Fi世代的傳輸速度。

IEEEBand(GHZ)Speed(Mbps)Since
802.11a5542000
802.11b2.4112000
802.11g2.4542003
802.11n(Wi-Fi 4)2.4/572~6002009
802.11ac(Wi-Fi 5)5433~34672014
802.11ax(Wi-Fi 6)2.4/5600~96082019

從技術的角度分析,每一代的Wi-Fi使用了不同的頻寬、調變、安全性與數據流等等,當然有著不同的傳輸能力並且持續採用更新的技術,各項表現透過以下表格說明:

Wi-Fi 6最大的變革,除了大幅提升原有第四代與第五代的速度外,在安全性的部分也採用目前最高 WPA3 安全性等級;而長久以來Wi-Fi的最大問題在於耗電的部分也有提出方案,以目前IoT產品充斥市面的現況並與網路相輔相成,Wi-Fi技術在此絕不能缺席IoT的世界,因此提出了省電的技術來協助IoT兼具快速傳輸能力與提高產品的電力續航能力。接著Wi-Fi 6的關鍵技術討論:

A. OFDMA (orthogonal frequency division multiple access)

原本的Wi-Fi使用OFDM技術,而OFDMA在頻寬的分配上將更有效率,舉例來說:原本每位使用者擁有相同的時間槽,全部的使用者皆被分配到相同的資源,每隔一個週期被安排資源一次,但在實際的運用上瀏覽網頁或傳訊息的使用者在使用量上會比看電影的少,若透過OFDMA則可將資源做更細部的切割,OFDMA的資源依照使用者的需求不同而調整,因此在使用上將更有彈性的調整分配,而且分配到的週期也不再是固定的,如此更能提高頻寬使用率與降低延遲的產生。

B. 1024 QAM (quadrature amplitude modulation)

正交振幅調變是透過在載波上進行振幅調變的方式傳送訊號,在802.11n 使用64QAM,到了802.11ac則使用了256QAM,最新的Wi-Fi 6則使用更高的1024QAM。可看到1024 QAM在星座圖上更為密集,由於載波之間的間隔更密集,因此對EVM的要求更為嚴格,也因為科技的進步讓電子元件更為可靠、震盪器更為精準,因此原視為極限的256 QAM能繼續向上發展。透過如下的星座圖可以看到802.11ax使用的1024QAM 比802.11ac使用的256QAM,在傳送時可以增加更多的容量,Wi-Fi 6使用1024 QAM單一技術就能比上一代增加1/4的速度,同時在MCS 的部分則定義支援更多從0~11的調變編碼。

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

MIMO多進多出的技術並非新的技術,在802.11n即有設備開始運用,以往的單一使用者SU(Single User)僅能在一個時間內提供一位使用者MIMO的傳輸,漸漸802.11ac提升到多使用者MU(Multi User) 在Downlink時候能提供最大4位(4 Spatial Streams)服務,最新的Wi-Fi 6 支援到最高8天線的設計,則能同時提供MU Downlink 和Uplink 同時8 Spatial Streams的傳輸進行。

D. TWT (Target wake time)

Wi-Fi 6 擁有傳輸速度快、建構成本低等優勢,且在生活上早已廣為被接受,但其缺點為較為耗電、待機時間短,然今日在智慧生活的架構下,各種IoT產品早廣為人們所使用,IoT其需要的特性為待機時間長,事實上許多感測器的待機時間高達95%,因此Wi-Fi 6也針對此一需求,加入TWT技術來改善待機與電力消耗問題。

TWT技術能定義每個裝置的Wake Time,讓裝置在不使用時進行休眠,一段時間才回到Awake。以下圖來看,Access Point在Beacon訊息裡面表示了TW時間,不同的設備定義了不同的TW時間,舉例來說物體感應器的TW會較短,溫溼度偵測器的TW可以較長,在TW時間到達時才送出Trigger訊息讓設備Wake up後進行運作,在此之前的設備皆在休眠的狀況,如此即能簡單且有效的達到省電的效果。

E. BSS coloring

以往的無線網路傳輸,當環境過於忙碌時,資料就會產生碰撞,導致不停的重傳影響效率,因此使用了CSMA/CD機制來避免資料的碰撞,CSMA/CD做法為當每次要傳輸前,先監聽通道是否正在傳輸,若通道淨空則可以傳輸,如此機制雖然容易設計,但在若遇到忙碌的無線環境下,將導致過多的等待時間。

而BSS coloring則利用一個Header,來標記每個存取點所屬於的顏色,以圖來說明,被標示為同一個顏色的 BSS Color,在傳輸時會忽略其他 顏色的BSS Color,即使是同一個頻道,也會因為忽略了其他BSS Color的干擾,因此可減少等待的時間,尤其在目前無線網路普遍存在壅擠的狀況下,如此機制能對抗干擾與有效提高傳輸效率。

Wi-Fi 6 透過加入了前述的新技術能有效增加原有的傳輸速度、在資源的使用上也更為有效率,更強的抗干擾與同時多人多工傳輸、並且具電力管理的省電機制。除此之外Wi-Fi 6也具有向下相容的能力 802.11a/​b/​g/​n/​ac,也提升了安全性與最佳化的頻譜運用,因此Wi-Fi 6的測試認證除Wi-Fi 6本身之外還需要執行以下相關的測試,全部通過即表示產品擁有Wi-Fi 6的絕對高品質與性能。圖案小三角形為Wi-Fi 5認證所必須執行項目,大三角形為Wi-Fi 6所必須執行項目。

  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)

百佳泰在眾多實驗室中,目前擁有3套Wi-Fi 聯盟認可的Wi-Fi 6測試設備,是目前擁有最多設備的實驗室,也有最高效率的測試時間;另外協會推出的其他30項的測試項目,目前亞洲地區的認可實驗室中,也僅有百佳泰能完全執行全部項目,可以說是目前測試能量最強的實驗室 ,請讓百佳泰支援您的產品取得Wi-Fi 6的認證方案或來信至service@allion.com。