MU-MIMO技术强力助阵 第二代11ac传输飙高速

2014-11-13 12:44:03来源: 新电子
  多用户多重输入多重输出(MU-MIMO)技术能使讯号发送存取点(AP)同时服务多个用户端装置,而采用此技术的802.11ac 2.0标准,则能藉此实现比前一代规格快三倍左右的联网速度,大幅提升Wi-Fi装置的服务品质。

当今的网路世界,商务人士必须在返回办公室之前就开始工作。此时,他必须连上最近的无线区域网路(Wi-Fi)热点,然后等待、等待、再等待。这种经验是家常便饭,或许可以称之为“Wi-Fi挫折症候群”。有几点原因造成此问题。在大多数情况,网路设计者安装的存取点(AP)过少,以至于无法服务许多使用者。有时候,即使有足够的AP,频宽依旧无法满足使用者的需求。如同跑道同一时间仅能容纳一架飞机,AP同一时间也仅能与一部装置进行通讯。它们看似能够服务多位使用者,其实是因为它们分割时间,并来回分配给不同的使用者。  
因此,使用者最后经常体验到持续的缓冲、延迟及断线。即使采用先进技术,例如多重输入多重输出(MIMO)天线,就算情况改善,也会因为单一使用者(Single User)的设计而受限。如同必须在机场增加跑道,才能在任何特定时间允许更多飞机起降一样,AP也需要更多的空间串流以同时服务一部以上的装置。不过MIMO无法达到此目的。MIMO确实可透过多支天线,提供更强且更具指向性的讯号,但假使AP拥塞,讯号再强大也无法提供优异的使用者体验,因为AP同一时间还是只能服务一个使用者。  

办公/住家联网装置数量飙升 Wi-Fi频宽渐不敷使用 

目前为止,问题看起来似乎不大,但不久之后,仍将会遇到问题。为什么?因为联网装置持续不断增加中。  

此外,现在提供给使用者的内容也耗用更多的频宽。几年前,还未听闻在手机上可以观看串流视讯,现在却是随处可见。视讯会议、整合通讯、线上教学与其他需要大量频宽的内容,在工作场所的使用频率都将持续增加。  

事实上,家中的Wi-Fi连线速度不久后,可能会变得像机场休息室一样缓慢。每部新的平板电脑、串流媒体装置、双模智慧型手机、联网恒温控制器、智慧型灯泡、联网冰箱等,都将使家中的Wi-Fi网路开始变得像是机场的热点,如同可能要整天坐在跑道上等待起飞。然而,现在只是在联网家庭浪潮的开端。主要消费性电子产品与电脑公司,包括苹果(Apple)、微软(Microsoft)及Google皆已推出家庭联网产品,形形色色的产品让人目不暇给,从漏水感测器、联网灯泡到智慧锁,使用者皆可透过手机上锁与开锁。由于有如此多的装置分食频宽,目前的Wi-Fi技术很快就会无法应付。  

囿于单一使用者设计 802.11ac频宽仍显不足 

所幸,新的802.11标准--802.11ac已蓄势待发,将协助网路设备制造商满足上述所有装置的需求。802.11ac的第一代比802.11n来得更快,许多厂商将它称为Gigabit Wi-Fi。802.11ac的速度最高可达802.11n的三倍,可透过八个串流提供最大6.9Gbit/s实体层尖峰传输速率。它采用频宽更大的160MHz频道,且在较不拥挤的5GHz频谱中运作。  

第一批802.11ac用户端装置(高阶笔电、智慧型手机与平板电脑)及数款路由器于2012年年中问世。使用者能享受近乎Gigabit的速度及更优质的整体使用体验。虽然802.11ac的第一代提升了速度、减少干扰问题,甚至提供长时间电池续航力,但仍未解决802.11早期版本的设计缺陷限制--单一使用者障碍。基本上,802.11专为同一时间与一部终端装置进行通讯而设计。但是,如同研究交通阻塞的科学家发现,在城市新增道路并无法解决塞车问题(因为会有更多人开始开车),频宽也是如此。随着频宽增加,消费者将找出方法,充分利用频宽。毕竟六七年前没有人会在手机上看影片。现在,人人皆如此。  

如上所述,虽然第一代802.11ac AP的设计确实整合了MIMO天线,但仍仅提供单一使用者MIMO(SU-MIMO)功能。结果,拥塞的AP使用者将遇到持续缓冲、缓慢的页面载入时间及其他效能问题。  

MU-MIMO添助力 802.11ac网路不塞车 
这是因为连接至SU-MIMO AP的装置每次只有一小段时间可独自存取AP频宽,之后AP将继续提供服务给下一个装置。若是不会拥塞的AP及强大的终端装置(具备MIMO接收器的终端装置,例如高阶笔电),此方法可顺利运作。使用多重串流的笔电可利用AP提供的多重串流。问题是,大多数AP所连接的装置是单一串流装置,通常是平板电脑与智慧型手机,公共空间的AP更是如此。  

如果拥有一部SU-MIMO、3或4串流的802.11ac AP,服务多部单一或多重串流用户端装置,毫无效率可言。AP在任何特定时间片段都有大量未使用的频宽。由于每部装置将依序获得服务,仅仅运用AP总频宽中一部分频宽的单一串流装置,最终将支配该串流,并将其他装置被隔绝在外。在机场休息室与咖啡厅等拥塞的场所,再昂贵的高阶笔电中的晶片组,也将受累于周遭各种装置内的廉价晶片组,因为这些装置频宽有限。可见目前的Wi-Fi技术显然不理想。  

所幸,802.11ac第二代(802.11ac 2.0)应能解决此问题,因为它将具备多重使用者MIMO(MU-MIMO)、4串流组态,以及最高160MHz频道等功能。透过MU-MIMO,来自蜂巢式通讯技术的概念将可运用于Wi-Fi AP。令人好奇的是,为什么花这么长的时间才解决此问题?但别忘了,电信公司须耗费数百万美元才能建置基地台设备,而花在家用路由器的费用顶多不过几百美元。  

不过,由于电脑仍遵循摩尔定律(Moore's Law)发展,无线晶片组的效能将持续快速提升,而价格则持续下降。采用MIMO天线仅能增加提供单一终端装置的资料串流数,MU-MIMO 802.11ac AP却可同时为多部用户端提供资料串流。关键在于MU-MIMO AP可将具有MU-MIMO功能的用户端群聚在单一传输槽,而非在用户端之间不断来回移动。例如,使用4×4 MU-MIMO的AP,若将三个用户端群聚在相同的槽,将能大幅提升Wi-Fi网路效率,而且AP将可支援更多的用户端,并为所有用户端提供高传输速率。  

采用波束成型技术 MU-MUMO天线更智慧 

波束成型是802.11ac第二代的主要技术。波束成型是一种讯号处理技术,让导引讯号(或接收讯号)更加妥善。这项概念并不难懂,小孩也能理解,甚至在池塘丢几颗石子,稍加思索便也能明白。丢入第一颗石子制造波浪,波浪会以圆形向外扩散,但丢入第二颗石子时,有些波浪会聚合,密度会立即提高,有些波浪会互相干扰并相互抵消。  

波束成型的概念可应用于无线通讯和不同的领域,例如雷达、地震学、电波天文学,甚至是生物医学。将波束成型应用于MU-MIMO AP,可使AP将其讯号优先引导至特定接收器,如此可提高讯噪比,并加快连线的速度(图1)。  


图1 SU-MIMO与MU-MIMO讯号广播方式比较
在当今常见的802.11n AP中,可使用多重空间串流的能力被视为技术创新。然而,虽然这些功能可提升传输速率,却只能同一时间服务一位使用者,再将各个串流导向至终端装置。基本上,当802.11n AP上有一个串流正在使用时,其他串流便处于休眠状态。同样道理,这就有如在跑道上等待飞机降落,然后才能起飞。  

若使用具备波束成型技术的MU-MIMO,串流干扰并不是大问题,因此AP最多能够将四个空间串流同时传送至四个不同的装置。实际上,具备四支天线的装置只能同时与三部装置进行通讯。为确保良好的效能,所需的天线数量应比用户端总数多出一支。亦即四支天线用于三部终端装置,以此类推。其运作方式是AP群聚所有装置并为装置各配置一个专属串流,随时确保各用户端的频宽。为保持串流分隔,AP将使用波束成型技术将各个传输引导至正确的接收器。  

为了让上述概念正常运作,AP必须具备智慧,以确保不同串流上的用户端装置之间有足够的间隔距离,以避免其相互干扰(如上述将石头丢入池塘的例子)。仅透过此技术,即可扩增三倍AP的传输能力(图2)。802.11ac AP若采用MU-MIMO(并非所有AP皆采用此技术)可获得其他优点,包括更宽广的频道。802.11ac 2.0将以80MHz及160MHz提供两个新的频道。当然,使用更宽广的频道将可提升速度。  


图2 MU-MIMO能提升较SU-MIMO约三倍的联网效能。
MU-MIMO革新Wi-Fi效能 联网生活增添无限想像 

现在,许多消费者认为频宽无法满足其无线装置的需求。对于网际网路服务业者而言,使用者最常抱怨网际网路服务过于缓慢。根据英国通讯产业独立监管与竞争管理机构Ofcom的研究显示,对英国网际网路服务业者的抱怨中,有五分之一是宽频网路速度过慢的情形。  

目前典型的联网家庭拥有约七部具备Wi-Fi上网功能的装置。根据加拿大经济合作暨发展组织的估计,至2020年为止,拥有两个小孩的家庭无线装置数量将大幅上升至五十部。  

虽然联网家庭只是未来“联网生活”时代的一部分,但消费者将在家中、工作、外出及城市中、旅行、购物时,乃至于任何前往地点都在进行无线联网。联网工作将包括我们已熟悉的事物,例如行动电子邮件、携带自有装置以及企业行动应用程式,同时亦将涵盖库存的位置追踪、人员定位器以及行动专案协同合作工具。  

Frost & Sullivan进一步预测至2025年时,联网生活的崛起将使全球出现三十七亿支智慧型手机、七亿台平板电脑、五亿两千万个穿戴式健康相关装置,以及四亿一千万个智慧型设备。然而,即将以机器对机器(M2M)通讯为主的物联网革命将改变这一切。想想看,有多少事情可在无人为介入的情况下完成。家中的感测器可侦测到无人在家,然后自动调降恒温控制器的温度。车辆最终也将能够与智慧型停车计费表进行通讯,透过车辆的电讯服务供应商支付停车费(例如美国的OnStar)。在用电尖峰时段,智慧电表可自动关闭耗电量高的设备,例如洗碗机与洗衣机。Wi-Fi已是快速成长的M2M市场的关键要素,而有如此多的装置竞相使用频宽,需要更具智慧、传输速率更高的网路。  

考量家中或办公室Wi-Fi网路的未来需求时,应记住这最后一项考量因素--装置须具备802.11ac与MU-MIMO以达到其真正的潜力。寻找基础架构装置时,具备MU-MIMO的802.11ac将迅速成为企业AP、家用路由器与闸道器的标准。但是,用户端装置需要花较长的时间才能跟上此趋势,因此部分串流可能仍会专属于SU-MIMO用户端。即使如此,MU-MIMO亦将有利于传统的SU-MIMO用户端。由于可为MU-MIMO用户端提供二至三倍的效能,因此网路上将有更多的可用时间与可用容量提供给SU-MIMO装置使用。 评估新的智慧型手机、新的平板电脑,甚至是汽车的联网能力时,若能优先选择MU-MIMO装置,将能推动MU-MIMO晶片组的采用;另一方面,若消费者可将MU-MIMO列为采购行动装置时的优先选择,而非其他项目如最新的相机技术,将可促进此技术的采用曲线。  

关键字:MU-MIMO  11ac

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/1113/article_38325.html
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