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攜手5G邁入無線Gbps時代 Wi-Fi 6效能/應用疾登主流

2020-06-29
裝置支援模組(Device Support Module,DSM)是一個代碼模組,可支援各式各樣的日誌來源,並且將其分析轉化輸出成一個標準能夠使用及顯示的模式。在本篇的文章中,將詳細介紹如何自訂DSM或是調整其組態,以符合使用者環境的需求。

 

第六代無線區域網路技術Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax)於2018年10月正式發表,改善了連線裝置的速度、延遲與連接密度。傳輸速率最高可達9.6Gbps,Wi-Fi 6高效率的傳輸機制,也能讓無線網路存取器(Access Point, AP)與裝置之間的通訊更加快速。Wi-Fi長期扮演協助行動通訊資料分流的角色,尤其是室內的無線連接,根據統計Wi-Fi承載了全球超過一半的數據流量,甚至有65%~90%的智慧型手機流量來自Wi-Fi。

Wi-Fi 6更導入多項新技術以全面提升效能表現,使用1024正交振幅調變(QAM)、導入正交分頻多重存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)技術、採用多使用者多重輸入與多重輸出(Multi-User MIMO, MU-MIMO)等重要的技術,相較於802.11ac的Wi-Fi 5,技術與網路效能都大幅提升。2020年5G逐步商轉,Wi-Fi 6正好與5G搭配,扮演更高效分流的角色。本文將探討Wi-Fi 6規格演進帶動的效能提升,並剖析市場發展動態,最後從效能驗證部分一窺Wi-Fi 6的發展前景。

Wi-Fi 6技術大幅翻新

近年來,新版科技標準紛紛採用數字命名,順應此潮流,無線區域網路也將最新的第六代標準IEEE 802.11ax定名為Wi-Fi 6,前一代的IEEE 802.11ac被追封為Wi-Fi 5,Wi-Fi 6又恢復支援消費者熟悉的2.4GHz頻段,支援頻寬由Wi-Fi 5 Wave1的80MHz提升至160MHz,最高傳輸速率由6,933Mbps,提升到9,607.8Mbps。Intel電腦通訊事業群產品經理盧進忠(圖1)提到,Wi-Fi 6在制定時參考行動通訊5G的技術,將規格大幅更新,以因應物聯網(IoT)時代的發展。

圖1   Intel電腦通訊事業群產品經理盧進忠提到,Wi-Fi 6將規格大幅更新,以因應物聯網(IoT)時代的發展。

Imagination產品管理資深總監Richard Edgar(圖2)表示,Wi-Fi 6的幾項重要技術規格包括:OFDMA、1024-QAM、MU-MIMO、省電技術等。

圖2  Imagination產品管理資深總監Richard Edgar表示,Wi-Fi 6導入OFDMA有效提升頻譜資源的利用效率。

OFDMA

正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM),是近年來無線通訊最常使用的資料傳送技術,系統​中的​每個​通道,​都可以​進一步​細分​成​多個​子​載​波。透過子​載​波​可充分​運用​頻譜,​還​需​仰賴​傳輸​器​與​接收​器​以​進行​額外​的​處理​作業,並將​單一​序列​位元​流​轉換​成​多個​平行​位元​流,​再​將​其​分​配給​各載​波,之後​每個​子​載​波​就會​如同​個別​通道​一般,​先行​完成​調​變,​再​將​所有​通道​合而為一,​接著​一併​傳輸。

OFDM在Wi-Fi 5之前就被廣泛應用,但由於資料傳輸的需求持續提高,Edgar說明,Wi-Fi 6導入OFDMA,技術概念是將頻段分割成多個單位,讓多組裝置能同時進行資料傳輸,除了有效提升頻譜資源的利用效率,更可加強封包數據的轉發效率。因為Wi-Fi 5及之前的標準都是占用整個通道傳輸資料,如果有一個QoS資料封包需要發送,也要等之前的發送者釋放通道才行;在OFDMA模式下,一個發送者只占用整個通道的部分資源,一次可以發送多個使用者的資料,所以能夠降低延遲等待時間,藉此提高網路使用效率。 

1024-QAM

Wi-Fi 5採用256-QAM正交​振幅​調​變,每個符號傳輸8bit資料,DEKRA德凱產品檢測IoT經理曹庭維表示,Wi-Fi 6進一步採用1024-QAM,每個符號位元傳輸10bit資料,資料位元率提升25%,相對於Wi-Fi 5來說,單條空間流資料輸送量提高25%,但是晶片組中的編/解碼器解調能力也要隨之提高,成功使用1024-QAM調變取決於通道條件,更密的星座點距離需要更強大的誤差向量幅度(EVM),和接收靈敏度功能,並且通道品質要求高於其他調變類型。

MU-MIMO

多重輸入與多重輸出(MIMO)最早出現在Wi-Fi 4(802.11n),導入多路同時傳送、接收技術,讓該規格最大傳輸速率達600Mbps,是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪說,近年來發展出多使用者的MU-MIMO技術,使用通道的空間分集在相同頻寬上發送獨立的資料流,與OFDMA不同,所有使用者都使用全部頻寬,可帶來多工增益。終端由於天線數量受限,一般來說只有1個或2個空間流(天線),比AP的天線要少,因此,在AP中導入MU-MIMO技術,就可以實現AP與多個終端之間同時傳輸資料,大大提升了資料傳輸量。

MU-MIMO在Wi-Fi 5就已經導入,但只支援下載4×4 MU-MIMO。在Wi-Fi 6中進一步增加了MU-MIMO數量,可支援下載8×8 MU-MIMO。另外,百佳泰產品認證事業部技術副理李育駿(圖3)說明,上傳MU-MIMO是Wi-Fi 6導入的一個重要特性,上傳MU-MIMO的概念和上傳SU-MIMO的概念類似,都是通過發射器和接收器多天線技術使用相同的通道資源在多個空間流上同時傳輸資料,唯一的差別點在於上傳MU-MIMO的多個資料流是來自多個用戶,因應智慧家庭與物聯網的趨勢,在同個空間中可以支援同時多裝置連結與資料傳輸。

圖3  百佳泰產品認證事業部技術副理李育駿說明,目前Wi-Fi 6的測試複雜度頗高至少需要20個工作天。

省電技術

Wi-Fi 6導入多項省電技術,李育駿強調,雖然不能與藍牙或Zigbee這些技術一樣省電,但在Wi-Fi需負擔多項工作與大量資料傳輸的情況下,能強化用電效率,尤其是在可攜式裝置與IoT終端的應用上。其中,20/40MHz操作,支援低資料速率應用以節省電池電量;而目標喚醒時間(Target Wakeup Time, TWT)是Wi-Fi 6支援的另一個重要的資源調度功能,它借鑒於802.11ah標準,允許設備協商什麼時候和多久會被喚醒,然後發送或接收資料。此外,Wi-Fi AP可以將用戶端設備分組到不同的TWT週期,減少喚醒後同時競爭無線頻段的設備數量。TWT還增加了設備睡眠時間,對採用電池供電的終端來說,大大提高了電池壽命。

另外,Wi-Fi 6導入一種新的同頻傳輸識別機制,叫BSS Coloring著色機制,對來自不同BSS的資料進行「染色」,為每個通道分配一種顏色,該顏色標識一組不應干擾的基本服務集,接收端可以及早識別同頻傳輸干擾信號並停止接收,避免浪費收發器時間。如果顏色相同,則認為是同一BSS內的干擾訊號,發送將延遲;如果顏色不同,則認為兩者之間無干擾,兩個Wi-Fi設備可同通道同頻平行傳輸。曹庭維提到,以這種方式設計的網路,那些具有相同顏色的通道彼此相距很遠,此時再利用動態CCA機制將這種訊號設置為不敏感,事實上它們之間也不太可能會相互干擾。

Wi-Fi 6晶片大廠超前部署

Wi-Fi 6規格在2018年10月正式公布,掌握技術規格的晶片大廠旋即推出相關產品,但事實上,負責規格推廣的Wi-Fi聯盟,直到2019年9月才正式發表Wi-Fi 6認證規範。目前Wi-Fi 6晶片以Intel、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)這三家大廠為主;另外,像安森美半導體(ON Semiconductor)、 Cypress、聯發科(MTK)與IP授權商Imagination都有推出相關解決方案。

Intel在2019年7月正式發表Wi-Fi 6解決方案AX201與AX200,盧進忠表示,Wi-Fi 6由於技術大幅改善,所以產品普及速度很快,根據產業研究機構的統計,2019年Wi-Fi 6的市場滲透度已達20%,該公司的AX201是整合型解決方案,AX200是分散式解決方案,可視系統產品的應用需求選擇。在目前產品的應用上,Intel的Wi-Fi 6模組在家用AP與PC/NB等應用領域表現較好。預計於2021年第一季推出支援Wi-Fi 6E的產品。

Qualcomm身為Wi-Fi 6規格主導廠商之一,早於2017年就推出相關解決方案,顯示其雄厚的技術實力,產品線也非常完整,包括網路設備、行動裝置、車用等領域都有布局,並在行動裝置與車用模組建立相對優勢。美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission, FCC)甫於2020年5月宣布在美國開放6GHz頻段,指定1,200MHz的新可用頻譜用於Wi-Fi和其他免授權應用,成為最新的Wi-Fi 6E規格,Qualcomm亦已發表多款解決方案。

另外,網路交換器(Switch)與路由器(Router)巨擘Broadcom也是另外一家擁有多產品線Wi-Fi 6解決方案的廠商,針對Wi-Fi路由器、企業用AP、行動裝置與機上盒都推出相應的產品,其中在Wi-Fi路由器與企業用AP等領域占有相對優勢。同時,該公司也已有多款產品可支援Wi-Fi 6E的6GHz頻段。

安森美在2019年第一季以10億美元的價格收購Wi-Fi晶片廠Quantenna,正式跨足無線區域網路領域。而Quantenna亦協助安森美成為Wi-Fi 6技術領先廠商之一,其5GHz 8×8和2.4GHz 4×4晶片組,最高速度達8.6Gbps(5GHz)+1.15Gbps(2.4GHz)。同時,該公司也已發表Wi-Fi 6E解決方案,如單基頻固定4×4三頻方案,以及針對Mesh節點的2×2(6GHz)+4×4(5GHz)+2×2(2.4GHz)方案。

而Imagination是一家開發可授權SoC IP的公司,Edgar表示,該公司重點是為希望將Wi-Fi整合到其產品中的公司(如MCU供應商)開發Wi-Fi IP。目前主要集中在低功耗、低資料速率的Wi-Fi應用上,在這些應用中,晶片尺寸、電池壽命是被優先考慮的。

Wi-Fi 6終端價格為普及關鍵

由於Wi-Fi 6效能大幅提升,也使技術複雜度增加,郭丁豪強調,Wi-Fi 6模組除了RFIC本身之外,處理器運算能力更為重要,觀察Qualcomm網路設備的Wi-Fi 6解決方案中,就有搭載2.2GHz的處理器,過去一般AP在成本的考量之下,很少用到處理器等級的運算單元,尤其是家用AP對價格敏感度更高,可能只會搭載MCU等級的運算元件。此外,Wi-Fi 6因為產品規格提升與向下相容的要求,測試認證的時間也更長。

曹庭維解釋,Wi-Fi 6的測試項目還包含Wi-Fi 4與Wi-Fi 5的測項,因應物聯網安全的要求,未來又新增對資安防護更完善的WPA3測試,Wi-Fi 4、Wi-Fi 5由於測試技術成熟,所需測試時間在兩周以內就可完成。李育駿進一步說明,目前Wi-Fi 6的測試至少需要20個工作天,長達一個月的測試週期,也是Wi-Fi 6產品價格居高不下的原因之一。

隨著5G逐步商轉,行動網路速度將大幅提升,扮演資料分流與室內連接任務的Wi-Fi,傳輸速率也有提升的壓力,尤其5G旗艦手機通常都搭載Wi-Fi 6模組,是德科技應用工程部資深專案經理蘇千翔表示,Wi-Fi 6的成長將隨5G商用而加速,2020年發展將以高階產品為主,如5G手機、電競筆電、商用AP或家庭媒體中心等,2021~2022年將逐步往中低階產品滲透,事實上,目前市面上AX1800的家用等級AP已經出現台幣2,000元以下的價格,李育駿表示,這類產品有許多未經認證,穩定性恐怕較差,待經過認證的產品價格接近,Wi-Fi 6成為主流就指日可待了。

 

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