802.11ax / Wi-Fi 6究竟6在哪里?

   Wi-Fi 6 ,即是所谓的 802.11ax 新 Wi-Fi 协议,新的 802.11ax / Wi-Fi 6 采用哪些关键技术大幅提升吞吐到 9.6Gbps?

1. OFDMA – 提升每终端平均速度

  OFDMA 绝对是 802.11ax 的重点!全称:Orthogonal Frequency Division Multiple Access ,是来取代过往 11ac协议的 OFDM ,即 Orthogonal Frequency Division Multiplexing 。简单来说可想像 Wi-Fi 数据传输就像列车载人,人即数据。在 ac 旧的 OFDM 下,要运载 3 个队伍的人,就要分别使用 3 辆列车来载绿队、紫队和金队,而且也要等金队列车走了,紫队才可坐下一班列车起行传输,令中间有延迟( Latency )。另外你看金队的人数比较少,即代表列车还有许多空位,何不载多点人呢?这可比喻有 3 个用户要传输数据,同一时间只有一部设备传输,还要逐个轮候传输,而且音讯的数据量较影片串流少,并没有尽用频宽。

OFDMA 能在同一時間傳輸來自不同裝置的資料。Source:Wi-Fi Alliance

  ax 的 OFDMA 就解决这个问题,令不同用户的数据都可同时传输,毋需等候。做法就是把一辆列车分成最多 9 行座位( 20MHz 频宽),令不同队伍的人都可坐在同一辆列车,那麼金队、紫队和绿队都可有成员登上首班车,尽快先运送部分成员,比 OFDM 更早有成员抵达目的地;而且列车也坐满人,更善用资源。这就如 OFDMA 把频道割成多个小份( Resource Unit ),让多位用户都可率先进行传输,提升每人的平均速率,又能减少传输的 Overhead(准备不同列车及司机),令上载 Uplink 及下载 Downlink 的传输都更有效率,亦可降低延迟,对多人上网的环境尤为有效。

以往一辆火车载不满,但 OFDMA 就可在同一辆车载不同用户的货物,更善用资源。 Source:Qorvo / Qualcomm

2. Uplink MU-MIMO – 有利多台设备的环境

  相信很多用户都知道 MU-MIMO 是什么,全称: Multiple User – Multiple Input Multiple Output 。很多 11ac 的 路由器都支持 MU-MIMO ,同一时间可与多台设备进行传输,例如路由器具备 4 个 Spatial Streams( 1,734Mbps@5GHz ),就同时服务最多 4 台 433Mbps 单一 Spatial Stream(SS)的设备,或者 1 台 867Mbps 设备(2SS)加 2 台 433Mbps 设备,总之用尽 4 个 SS 。相反,旧的 SU-MIMO 就不能同时用尽所有 Spatial Streams ,例如当 1 台 433Mbps 连接、占用 1 个 SS ,其余 3 个 SS 就变为闲置,不能服务其他设备,导致多人上网时,速度就变慢。

SU-MIMO 只可同時服务一台设备,而 MU-MIMO 可同時服务多台设备。Source:Arubase.club

  以前 11ac 的 MU-MIMO 只用于下行 Downlink 传输,即是上一层网络设备(如 路由器)把数据传送至下一层设备。而新的 ax 技术就连上行 Uplink ,即设备把数据「上载」至 路由器 ,都支持 MU-MIMO 了。而且 MU-MIMO 也由 ac 的 4SS ,变成支持 ax 的 8SS 。

3. 最高速度每秒 9.6Gigabits – 速度比 AC 提升近 40%

  刚才也说到,以往的 ac 制式最多支持 4 个 Spatial Stream(可简单理解為天线数量),不过去到后来推出的 ac Wave 2 就增至 8 个 Spatial Stream ,使 ac 的最高速度理论值为 6,933Mbps( 160MHz, 8SS )。而新的 ax 也维持采用 8 个 Spatial Stream ,不过单一 Spatial Stream 的速度就由 ac 的 433Mbps( 80MHz )增至 600.4Mbps ( 160MHz )。如果计 160MHz 的话, ax 的单一 SS 可达 1,201Mbps ,再乘以 8SS,最高速度更可达 9,607.8Mbps ,接近 10Gbpsc!虽然真实环境还有很多因素影响,例如空气中有其他讯号干扰、有墙壁阻隔等等,令实质速度不会达至最高理论值,不过 ax 制式加入了 OFDMA 等技术,实际的 吞吐还是比 ac 年代提升不少。

ac 和 ax 速度比较。Source:Arubase.club

  此外,旧的 802.11ac 是采用 256QAM 调制方式,而 802.11ax 则支持 1024QAM ,令 Wi-Fi 的载波数据点变得更密集,就像有更多个速递员派货,令传输数据的速度比 256QAM 快 25% 。

相比 256QAM , 1024QAM 的载波数据点较为密集,可传输更多数据,令速度比 256QAM 快 25% 。Source:Science Direct.

4. BSS Coloring – 更善用频谱

  一直以来, Wi-Fi 传输都是採用 CSMA / CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)机制,每次传送数据之前,会「听」一下究竟传播媒介有没有其他 Wi-Fi AP 也在传输资料,就好像看看马路上有没有其他车。如果有的话,為防干扰和冲突, AP 就会把媒介定為忙录状态,需要等待没有其他 AP 传输、媒介「寂静无人」、马路通行无阻才开始传送资料。

 CSMA 机制。Source:rfwireless-world.com

  而 802.11ax 加入的 BSS Coloring「著色机制」就可改善问题,即使在一个具备非常多 AP 的密集环境,如办公室或展览馆,有很多 AP 使用同一个 Channel 传输,使媒介很挤迫,每个 AP 也毋需等候那麼久。因為在 ax 制式下, ax 设备每次传送资料,都会在资料的 Header(如寄送包裹,箱上也有一张纸写著地址等资料,即 Header )加入一个 6-Bit 的 BSS Color 栏,来代表「顏色」。这个 BSS Color 会写著要传送到哪个 BSS( Basic Service Set,可简单想成 Wi-Fi 组别 / Wi-Fi SSID ),假设是 000001 红色,当资料抵达同是红组的 AP / Wi-Fi Router 时, AP 就会处理这个由设备传过来的包裹。假设这个 AP 听到媒介有车运送包裹,而包裹写的 BSS Color 是 000111 蓝色( OBSS、Overlapping BSS ,用同一 Channel 但不同组别),即使媒介有车行驶, AP 也不会把媒介定為繁忙,因為蓝色并非 AP 用的红色。所以在这情况下, AP 也照样可以传送资料,毋需等候,变相释放更多时间使用媒介( Spatial Reuse / 空间復用技术)。

ax 设备传输资料时,会在 Header 标记 BSS Color 。 Source:Aerohive
假设在 Channel 36,图中左上角的设备要传送资料,在 ac 旧机制下,会听到附近很多 Ch.36 的活动,因而暂止传输。但在 BSS Coloring 下,它会忽略黄、绿、紫色的 Ch. 36 干扰,照样传給黑色 Ch. 36。Source:Aerohive

5. Target Wake Time – 令 IoT 设备更省电

  除了提升手机及电脑的连线速度外,随着 IoT 设备愈趋流行,例如智能家居有智能电灯、智能电饭煲、 IP 摄像头 、各种感应器等等, 802.11ax 亦针对 IoT 设备提供改善方案。 802.11ax 就加入了 Target Wake Time( TWT )机制,让 AP 与 20MHz 的低速 IoT 设备协商,究竟设备会在何时传送及接收资料,并在「时间表」记下这个「传输时段」。当现在不是传输时间, IoT 设备便会「休眠」省电。而且 AP 也可排好时间表,确保 IoT 设备「醒来」传输时,没有其他 IoT 设备撞时间一起传输,有效减少冲突。

设备与AP 制定好 Target Wake Time 后,便可在非传输时休眠,更省电。Source:Qualcomm

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