WLAN 802.11 b/a/g/n/ac

2.2.1 802.11 b

制定於西元1999年，工作頻帶為2.4 GHz的免授權免付費ISM頻帶(Industrial Scientific Medical Band, ISM Band)，採用直接序列展頻技術(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)及互補鍵碼(Complementary Code Keying, CCK)的編碼方 式，提供四種資料傳輸速率，分別為1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps及11 Mbps，早期 主要應用於桌上型電腦或筆記型電腦配合無線網路基地台進行資料傳輸，然而，

由於ISM頻帶中可使用的頻寬較窄，約只有83 MHz，且隨著人們對於語音及影像 等需求日增，資料傳輸速率勢必要有效提高以因應更複雜之應用，因此有了 802.11a的發展。

2.2.2 802.11 a

亦 制 定 於 西 元 1999 年 ， 在 美 國 802.11a 工 作 於 5 GHz 的 U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)頻帶，提供300 MHz的頻寬以供使用，可分為 低、中與高三個頻帶，其頻率範圍分別為5.15~5.25 GHz、5.25~5.35 GHz及 5.725~5.825 GHz，在較低的200 MHz頻寬裡，可容納8個20 MHz頻寬的通道，在 較高的100 MHz頻寬裡，可容納4個20 MHz頻寬的通道，每個通道內共有52個子 載波，其中48個子載波用來傳遞資料，其餘4個子載波用來作為同步資訊與傳輸 頻率的參考點，圖2-1為802.11a在U-NII頻帶中的通道分配狀況，此外，802.11a 使用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的技術，將 高速的資料流分給多個彼此正交的子載波同時傳送，降低每個子載波資料的傳輸 速率，可有效解決訊號發射時遇到多重路徑衰減的問題，訊號調變方式依據所需 資料要求的不同，可分為二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)、正交 相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)、16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)或64-QAM，其資料傳輸速率最高達54 Mbps，發射頻譜遮罩規定方 面，0 dB頻寬不得超過離中心頻率左右各9 MHz，離中心頻率左右各11 MHz、20 MHz、30 MHz，頻譜密度必須各低於-20 dB、-28 dB、-40 dB，而不同資料傳輸 速率下的誤差向量振幅(EVM)亦有規定，以確保發射訊號的品質，如表2-1所示，

與美國U-NII頻帶交疊的是歐洲HIPERLAN(High Performance Radio LAN)頻帶，其 頻率範圍為5.15~5.35 GHz及5.47~5.725 GHz，一樣可提供最高54 Mbps的資料傳輸 速率，與802.11a UNII頻帶不同的是兩者使用的媒體存取控制協定(Medium Access Control, MAC)不太一樣。

200MHz 30MHz 20MHz

5.15 5.18 5.2 5.22 5.24 5.26 5.28 5.3 5.32 5.35 GHz

(A) U-NII低中頻帶 100MHz

20MHz

5.725 5.745 5.765 5.785 5.805 5.825 GHz (B) U-NII高頻帶

圖2-1 802.11a在美國U-NII頻帶中的通道分配狀況

表2-1 802.11a在不同資料傳輸速率下的誤差向量振幅(EVM)規定 Data rate

(Mbps)

Relative constellation

error (dB) EVM (%)

6 -5 56.2

9 -8 39.8

12 -10 31.6

18 -13 22.4

24 -16 15.8

36 -19 11.2

48 -22 7.9

54 -25 5.6

2.2.3 802.11 g

由於802.11b不論是在頻帶上或是調變技術上皆與802.11a不同，使得兩者不 能相容，故在西元2003年正式通過802.11g標準，與802.11b一樣採用2.4 GHz頻帶，

通道頻寬為20 MHz，並建構在既有的802.11b實體層與媒體存取控制協定上，此 外，為提升頻譜使用效率及減少延遲分散的情況，採用與802.11a相同的正交分頻 多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術，資料傳輸速率最高 可達54 Mbps，向下相容的結果，亦使得802.11b產品的使用者能享受802.11g所帶 來的傳輸速率提升。

2.2.4 802.11 n

於2009年正式問世，改善了之前802.11a及802.11g在資料傳輸速率上較不足 的缺點，其理論上的最大資料傳輸速率可達近600 Mbps，與先前標準相比，已有 大幅改善，且亦增加了可傳輸的範圍及距離，頻帶上則相容802.11a及802.11g標 準，可工作於2.4 GHz或5 GHz，通道頻寬分為20 MHz及40 MHz兩種，其核心為 多重輸入多重輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)技術，先使用正交分頻多工 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)，將高速的資料流分給多個彼 此正交的子載波，降低每個子載波資料的傳輸速率，再利用多獨立天線同時發射 多個訊號，經由多重路徑進行傳輸，最後在接收端由多天線進行獨立解碼，然後 將訊號組合起來，示意圖如圖2-2所示，使用多重輸入多重輸出技術的好處為可提 高資料傳輸速率，並顯著的改善訊雜比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)，訊號調變方 式與802.11a及802.11g相同，依據所需資料要求的不同，可分為二進制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying, BPSK)、正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)、16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)或64-QAM，並搭配一組新的 編碼率5/6，使802.11n在單輸入單輸出(Single-input Single-output, SISO)的情況 下，可由54 Mbps的資料傳輸速率提升到65 Mbps，而不同資料傳輸速率下的誤差 向量振幅(EVM)亦有規定，以確保發射訊號的品質，如表2-2所示，此外，802.11n 提供的其他選項還包含高吞吐量綠燈區(High-Throughput Greenfield)模式，即是單 純的工作於802.11n標準，忽略其他早期標準，可將傳輸效能最佳化及擴大網路涵

蓋範圍，窄化保護頻帶間隔(Guard Interval, GI)，802.11a及802.11g標準的緩衝時 間為800 ns，而802.11n則有800 ns及較短的400 ns供選擇，選用400 ns時可提升10%

的資料傳輸速率。

Space-Time Processing A1

A2

A3

Space-Time Processing

B1 Modulation Coding rate Relative constellation

error (dB) EVM (%)

2.2.5 802.11 ac

為最新的無線網路標準，其提供以下五種技術來提升網路頻寬及更好的使用 者體驗[1]：

A. 支援最高160 MHz的頻寬(RF Bandwidth)

由於802.11ac有較寬的頻寬需求，且2.4 GHz頻帶只提供83 MHz左右的頻寬，

故802.11ac工作於5 GHz頻帶(4.9~6.0 GHz)，其所需之160 MHz頻寬可利用通道集 成(Channel Bonding)技術來達成，換言之，可使用連續的80+80 MHz或非連續的 80+80 MHz，使總頻寬達到160 MHz，而802.11n頻寬上限為40 MHz，表2-3為在 單一空間流中使用不同頻寬在802.11n與802.11ac之理論資料傳輸速率比較表。

表2-3 單一空間流中使用不同頻寬在802.11n與802.11ac之理論資料傳輸速率 比較表

Protocol Bandwidth (MHz)

Data rate per stream (Mbps) 802.11n

64-QAM

20 72.2

40 150

802.11ac 256-QAM

20 87.6

40 200

80 433.3 160 866 B. 支援最多8個空間流(MIMO Spatial Streams)

多重輸入多重輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)技術可表示成下式 : 在頻寬為40 MHz、調變方式為64-QAM及802.11ac在頻寬為40 MHz、調變方式為 256-QAM之多空間流理論資料傳輸速率表。

表2-4 802.11n之多空間流理論資料傳輸速率表(40 MHz、64-QAM) 空間流

Spatial streams 1 2 3 4 Data rate

(Mbps) 150 300 450 600

表2-5 802.11ac之多空間流理論資料傳輸速率表(40 MHz、256-QAM) 空間流

Spatial streams 1 2 3 4 5 6 7 8 Data rate

(Mbps) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 C. 多使用者MIMO(Multi-user MIMO)

為802.11ac的一種新技術，亦稱為空間分割多重存取(Space Division Multiple Access, SDMA)，其優點在於當多個終端設備同時連上無線存取點(Access Point, AP)時，每個終端設備可獨立使用不同的空間流來傳輸資料，進而減少競爭，但 802.11n的無線存取點卻必須以時間多工來服務多個終端設備，意即無法在同一時 間內進行各個終端設備的服務。

D. 將傳送波束成型(Beam forming)正式納入標準

波束成型技術在於使用單一聲測(Single Sounding)及反饋模式來在特定方向 上集中射頻能量，以改善各個終端設備的資料傳輸速率，事實上，已有多家廠商 在802.11n提供此項技術，但由於在802.11n其非標準規格，故可能存在相容性的 問題。

E. 支援更複雜的256-QAM調變(Modulation)方式

802.11ac與802.11n相同，皆使用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術，訊號調變方式依據所需資料要求的不同，亦可分為二 進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)、正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)、16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)或64-QAM，此 外，802.11ac額外增加256-QAM，並搭配兩組新的編碼率3/4及5/6，256-QAM的 優勢為比64-QAM提供了多33%的資料傳輸速率，表2-6為802.11ac在頻寬為40 MHz、保護頻帶間隔(Guard Interval, GI)為400 ns，使用單一空間流及不同調變方 式之理論資料傳輸速率表，而不同資料傳輸速率下的誤差向量振幅(EVM)亦有規 定，以確保發射訊號的品質，如表2-7所示。

表2-6 802.11ac在不同調變方式之理論資料傳輸速率表 Modulation Coding rate Data rate (Mbps)

BPSK 1/2 15 Modulation Coding rate Relative constellation

error (dB) EVM (%)

表2-8 802.11ac在不同頻寬與不同調變方式之理論資料傳輸速率表

Modulation Coding rate

20 MHz channels

40 MHz channels

80 MHz channels

160 MHz channels 800ns 如表2-8，假設802.11ac使用最寬的160 MHz頻寬與最複雜的256-QAM調變方式，

在8個空間流的情況下，理論上最高可達6.93 Gbps之資料傳輸速率。

802.11ac除了上述五項技術外，另一優勢為其可相容5 GHz頻帶的802.11a及 802.11n產品。