Wi-Fi的演進
Wi-Fi 標準最初由美國電機暨電子工程師學會 (IEEE) 所訂定， 該學會的 802.11 工作小組每年開 6 次會議，會議中與專家任 務小組進行多次會議通話，藉此更新與延伸 Wi-Fi 的技術基 礎。一旦 IEEE 完成標準，焦點就會轉移到 Wi-Fi Alliance，也 就是擁有「Wi-Fi」商標的產業貿易論壇，論壇中會有一系列 plugfest 支援起草測試規劃及互通性認證計畫。業界就是透過 上述程序，確保 Wi-Fi 客戶透過生態系統中的所有不同供應商 都能使用 Wi-Fi 存取點。 目前主要使用的實體層(PHY) 認證為802.11ac，該項認證在2014 年將「wave 1」推向商業市場，2016 年則推出「wave 2」。 但 802.11ac 的建構得一路回溯至 2008 年：這一段孕育期讓這 項技術得以長久。 實際情況是，早在 802.11ac wave 2 設備開始出貨之前，IEEE 就開始鑽研下一個「PHY」標準，命名為「802.11ax」。這項 專案在 2014 年 3 月正式推出，並從 2018 年初開始進行一連串 「記名投票」：該標準的範圍如今已然訂定，而每一次經過 修訂，標準的內容都愈加充實。IEEE 最終審核預計在 2019 年 末通過，但在通過之前，標準將會實際凍結數月。
圖一 WI-FI裝置出貨量
802.11ax 的設計目標
在判斷如何讓 Wi-Fi 超越現有版本時，802.11ac、IEEE 和 WiFi Alliance 調查了 Wi-Fi 部署和使用情形，藉此了解擴大使用 的阻礙何在，以及使用者社群間不滿意的原因。 調查結論是脫離過往預先將「良好」現場條件下的資料速率 調至尖峰的升級路徑，轉而更加專注在「實際」的現場條 件，以及不僅要了解如何改善尖峰效能，也要了解如何改善 真實世界條件下一般及最差情況的效能。 這類真實世界的條件逐年以來已然有所改變，很大一部份 要歸功於 Wi-Fi 的成功普及。存取點隨處都能找到，甚至覆 蓋多數戶外空間。於是在許多地區，網路塞車成為大問題。 比方繁忙的機場和火車站、集合住宅式的公寓建築，甚或 學校和大學的環境。這些地方的共同特點是來自多個存取點的重疊覆蓋範圍，無論這些存取點受管在同一個網路中或彼此不同，全都為眾多熱切需要 使用數據的用戶端裝置服務。因此 IEEE 和 Wi-Fi Alliance 開始著手 為每個人改善效能，尤其覆蓋範圍彼此重疊的區域：在某些區域，訊號干擾的情形可藉由協調存取點而得以緩解，而在其他區域，則可透過強化協定的方式使 Wi-Fi 訊號更能對抗干擾。 不過，手機和電腦的網路服務並非 Wi-Fi 的唯一用途。市場不斷擴大的物聯網 (IoT) 感應器也使用 Wi-Fi 在許多場合進行連線，但這項技術的採用仍有幾項限制存在。因此 802.11ax 的新功能允許低資料速率連線的有效配置，改善了 IoT 感應器的電池壽命，並延伸 了 Wi-Fi 訊號的範圍。 Wi-Fi 也是無線網際網路服務供應商 (WISP) 採用的技術，應用於戶外點對點連結；在這項應用中，802.11ax 包括了延伸範圍、提高 資料速率及降低干擾的功能。
802.11ax 新功能
與上一代的WI-FI產品802.11ac相比802.11ax有需多新功能如下圖所示，本文主要針對802.11ax的新功能OFDMA和Uplink MU-MIMO來做介紹
圖二 802.11ax的新功能列表
OFDMA
Wi-Fi 標準最初由美國電機暨電子工程師學會 (IEEE) 所訂定， 該學會的 802.11 工作小組每年開 6 次會議，會議中與專家任 務小組進行多次會議通話，藉此更新與延伸 Wi-Fi 的技術基 礎。一旦 IEEE 完成標準，焦點就會轉移到 Wi-Fi Alliance，也 就是擁有「Wi-Fi」商標的產業貿易論壇，論壇中會有一系列 plugfest 支援起草測試規劃及互通性認證計畫。業界就是透過 上述程序，確保 Wi-Fi 客戶透過生態系統中的所有不同供應商 都能使用 Wi-Fi 存取點。 目前主要使用的實體層(PHY) 認證為802.11ac，該項認證在2014 年將「wave 1」推向商業市場，2016 年則推出「wave 2」。 但 802.11ac 的建構得一路回溯至 2008 年：這一段孕育期讓這 項技術得以長久。 實際情況是，早在 802.11ac wave 2 設備開始出貨之前，IEEE 就開始鑽研下一個「PHY」標準，命名為「802.11ax」。這項 專案在 2014 年 3 月正式推出，並從 2018 年初開始進行一連串 「記名投票」：該標準的範圍如今已然訂定，而每一次經過 修訂，標準的內容都愈加充實。IEEE 最終審核預計在 2019 年 末通過，但在通過之前，標準將會實際凍結數月。
圖一 WI-FI裝置出貨量
802.11ax 的設計目標
在判斷如何讓 Wi-Fi 超越現有版本時，802.11ac、IEEE 和 WiFi Alliance 調查了 Wi-Fi 部署和使用情形，藉此了解擴大使用 的阻礙何在，以及使用者社群間不滿意的原因。 調查結論是脫離過往預先將「良好」現場條件下的資料速率 調至尖峰的升級路徑，轉而更加專注在「實際」的現場條 件，以及不僅要了解如何改善尖峰效能，也要了解如何改善 真實世界條件下一般及最差情況的效能。 這類真實世界的條件逐年以來已然有所改變，很大一部份 要歸功於 Wi-Fi 的成功普及。存取點隨處都能找到，甚至覆 蓋多數戶外空間。於是在許多地區，網路塞車成為大問題。 比方繁忙的機場和火車站、集合住宅式的公寓建築，甚或 學校和大學的環境。這些地方的共同特點是來自多個存取點的重疊覆蓋範圍，無論這些存取點受管在同一個網路中或彼此不同，全都為眾多熱切需要 使用數據的用戶端裝置服務。因此 IEEE 和 Wi-Fi Alliance 開始著手 為每個人改善效能，尤其覆蓋範圍彼此重疊的區域：在某些區域，訊號干擾的情形可藉由協調存取點而得以緩解，而在其他區域，則可透過強化協定的方式使 Wi-Fi 訊號更能對抗干擾。 不過，手機和電腦的網路服務並非 Wi-Fi 的唯一用途。市場不斷擴大的物聯網 (IoT) 感應器也使用 Wi-Fi 在許多場合進行連線，但這項技術的採用仍有幾項限制存在。因此 802.11ax 的新功能允許低資料速率連線的有效配置，改善了 IoT 感應器的電池壽命，並延伸 了 Wi-Fi 訊號的範圍。 Wi-Fi 也是無線網際網路服務供應商 (WISP) 採用的技術，應用於戶外點對點連結；在這項應用中，802.11ax 包括了延伸範圍、提高 資料速率及降低干擾的功能。
802.11ax 新功能
與上一代的WI-FI產品802.11ac相比802.11ax有需多新功能如下圖所示，本文主要針對802.11ax的新功能OFDMA和Uplink MU-MIMO來做介紹
圖二 802.11ax的新功能列表OFDMA
OFDMA 絕對是 802.11ax 的重點！不過這個 5 個英母也相當難記，全寫為 Orthogonal Frequency Division Multiple Access ，是來取代過往 ac 制式的 OFDM ，即 Orthogonal Frequency Division Multiplexing 。看全寫其實也很難明白是甚麼，簡單來説可想像 Wi-Fi 數據傳輸就像列車載人，人即數據。在 ac 舊制式的 OFDM 下，要運載 3 個隊伍的人，就要分別使用 3 輛列車來載綠隊、紫隊和金隊，而且也要等金隊列車走了，紫隊才可坐下一班列車起行傳輸，令中間有延遲（ Latency ）。另外你看金隊的人數比較少，即代表列車還有許多空位，何不載多點人呢？這可比喻有 3 個用戶要傳輸數據，同一時間只有一部裝置傳輸，還要逐個輪候傳輸，而且音訊的數據量較影片串流少，並沒有盡用頻寬。
ax 新制式的 OFDMA 就解決這個問題，令不同用戶的數據都可同時傳輸，毋需等候。做法就是把一輛列車分成最多 9 行座位（ 20MHz 頻寬），令不同隊伍的人都可坐在同一輛列車，那麼金隊、紫隊和綠隊都可有成員登上首班車，盡快先運送部分成員，比 OFDM 更早有成員抵達目的地；而且列車也坐滿人，更善用資源。這就如 OFDMA 把頻道割成多個小份（ Resource Unit ），讓多位用戶都可率先進行傳輸，提升每人的平均速率，又能減少傳輸的 Overhead（準備不同列車及司機），令上載 Uplink 及下載 Downlink 的傳輸都更有效率，亦可降低延遲，對多人上網的環境尤為有效。
Uplink MU-MIMO
MU-MIMO 是 Multiple User – Multiple Input Multiple Output 的縮寫。很多 ac 的 Router 都支援 MU-MIMO ，同一時間可與多台裝置進行傳輸，例如 Router 具備 4 個 Spatial Streams（ 1,734Mbps@5GHz ），就同時服務最多 4 台 433Mbps 單一 Spatial Stream（SS）的裝置，或者 1 台 867Mbps 裝置（2SS）加 2 台 433Mbps 裝置，總之用盡 4 個 SS 。相反，舊的 SU-MIMO 就不能同時用盡所有 Spatial Streams ，例如當 1 台 433Mbps 連接、佔用 1 個 SS ，其餘 3 個 SS 就變為閒置，不能服務其他裝置，導致多人上網時，速度就變慢。
以前 ac 制式的 MU-MIMO 只用於下行 Downlink 傳輸，即是上一層網絡設備（如 Router）把數據傳送至下一層裝置。而新的 ax 制式就連上行 Uplink ，即裝置把數據「上載」至 Router ，都支援 MU-MIMO 了。而且 MU-MIMO 也由 ac 的 4SS ，變成支援 ax 的 8SS 。
結論
Wi-Fi發展到現在已經20餘年，Wi-Fi的演進也從一開始追求最大傳輸量改變為802.11ax的追求最有效率的使用頻寬，進而在同一台Wi-Fi裝置上可以同時滿足更多使用者的使用，802.11ax的誕生也說明了一昧的增加最大傳輸量並不會得到最好的使用者體驗，反而會造成更多的製造成本和更多的耗能，所以了解802.11ax的新功能有助於工程師在設計產品和排除錯誤時能更快的切入問題，找到答案。
評論
赵明生
2019年11月20日