无处不在,还要更快

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  很多用户对无线局域网(WLAN)的速度并没有太大的概念,毕竟玩玩微信,看点小视频,这对路由器的速度要求并不高,但这并不意味着WLAN就可以止步不前。伴随智能终端的大量出现,网络应用的日益丰富,很多情况下即使是所谓的千兆路由器,都不太能满足需求,例如NAS,例如公共热点。不过没关系,在技术领域,从来都是标准比硬件跑得快的。现在,新的WLAN标准正在靠近……
  WLAN有必要更快吗
  吃饭和Wi-Fi是现代人类赖以生存的两大基础。但正如吃货不见得会做菜,不少用户对Wi-Fi也不怎么了解,毕竟鸡蛋好吃但也没必要非得认识它是哪只母鸡下的。不过,了解一下某种东西的规格也是有好处的。比如你知道路由器速度含义,就不会奇怪电脑的本地连接明明写着“速度100Mbps”但下载还是慢得像爬一样而痛骂厂商无良浮夸。再进一步,知道IEEE 802.11b/g/n和802.11ac等一些WLAN标准的区别,在设置网络的时候就不会抓瞎。
  目前,个人及家庭用户大多使用8M或10M宽带,享受100M光纤的毕竟只是少数土豪。理论上讲,即使是老掉牙的54M无线路由器,其内网传输速度都已经远远超过了运营商提供给用户的外网速度,何况运营商的带宽基本上都不足额。而千兆无线路由器的理论下行速度,甚至已经超过了机械硬盘的读写速度,可谓“数据来得太快有点招架不住”。实际上来说,目前一些用户用着古老的802.11a/b/g(最大理论速率54Mb/s)的路由器产品也没有觉得有什么不妥,802.11n(最大理论速率600Mbps,市场上多数产品支持300Mb ps,实际传输率为75Mbps~150Mbps)已经成为主流,眼下当红的802.11ac距离普及则还有一段距离。那么问题就来了,WLAN追求更快的速度有必要吗?答案是肯定的,必须更快!原因有这样几点:
  一是WLAN承受的数据流量越来越大,人们需要在无线环境下高速下载或上传高清影音、游戏等大文件,或需要多设备共享一个热点。更快的速度意味着更大的带宽和更多的信道,可以大大减少网络拥堵造成的延迟、卡顿、失去响应等现象。
  二是企业级WLAN更容易实现高密度覆盖和负载均衡,兼容老旧设备又不至于影响整个网络体验。
  三是降低网络攻击、网络分析或监控对网络造成的负担。
  目前,人们讨论得最多的就是IEEE 802.11ac 2.0。它有什么过人之处呢?为了知己知彼,我们还是照例回顾一下现在的802.11ac为什么会快。
  我们所知道的802.11ac
  提到IEEE 802.11ac标准,稍有了解的同学大概首先会想到双频、千兆网络等关键词。根据IEEE(电气和电子工程师协会)和WFA(国际Wi-Fi联盟)的标准来看,它从下几个方面保证了网络大提速:
  5GHz:以往的802.11设备都采用2.4G Hz频段,但蓝牙耳机、无线键鼠、无线手柄、遥控航模甚至微波炉也在使用这个频段,于是车多路窄,结果可想而知。而在5G Hz频段上争带宽的设备就要少得多,速度也更有保障,且802.11ac同时也向下兼容2.4G Hz。当然,制造商仍需为设备提供自动跳频功能,以便合理利用现有资源并节省频谱。
  新的调制和编码方案:802.11ac使用802.11n的OFDM(正交频分复用)调制、交错和编码架构。在良好的信道条件下,802.11ac可选2560AM以提供80MHz和1 60MHz的数据传输信道。256QAM相比64QAM多了33%的吞吐量,副作用就是在有损信号环境下,位容错能力下降,因此2560A M调制是可选模式而非强制模式。
  宽通道带宽:802.11n仅支持20M Hz和40M Hz的通道带宽,而802.11ac增加了强制性的连续的80MHz带宽和可选的160MHz带宽。和40MHz带宽相比,80MHz带宽让物理层的传输速率增加了一倍,从而提高了数据传输率、吞吐量以及系统效率。因此,同时几乎不会增加制造成本。采用160M Hz信道带宽可以让设备达到Gb级别的吞吐量,但实现成本较高,而且某种程度上,这已经超越了我们现在所了解的802.11ac的范畴。
  多空间流及MU-MIMO:与802.11n的4条空间流相比,802.11ac最高支持8条空间流,搭配多用户多进多出(MU-MIMO)技术可以获得更好的提速效果。802.11ac允许AP利用相同信道、多个天线执行多任务,同时在不同方向与多个用户通讯。相比之下,802.11n虽然支持MIMO但只能点对点连接每个单独终端的多重天线。
  波束成形:传统无线路由器向各个方向发出相同且持续的Wi-Fi信号,但接收端只是处在这个范围内的一个点。也就是说在其他方向上,功耗白白浪费掉,还增加了辐射和干扰。波束成形源于自适应天线的一个概念,接收端通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成,形成所需的理想信号。从天线方向图的视角来看,这样做相当于形成了有规定指向上的波束。同理,发射端对天线阵元馈电进行幅度和相位调整,可形成所需形状的方向图。波束成形可以明显改善接收端的信噪比,即使距离较远也能获得较好的信号质量。但它必须搭配多天线系统,例如:MIMO。
  此外,802.11ac还有增强载波侦听技术、增强报文聚合等技术。凭借着更高的带宽、更多的空间流、更高级的调制类型、MU-MIMO技术以及RTS/CTS机制,才使其速率与802.11n相比有了质的提升。
  IEEE 802.11ac 2.0
  前面,我们仔细了解802.11ac之后,你会发现现实不太科学,标准和市场产品似乎脱节太远。目前802.11ac产品都是80M Hz通道带宽,使用的仍是802.11n的SU-MIMO(单用户多输入多输出)技术,只是因为调制技术的改进,所以在单空间流条件下能够实现433M b/s的物理连接速度。由于目前802.11ac产品最多只有3个空间流,因此可以提供433M b/s的2倍或3倍的物理连接速度,即867Mb/s或1.3Gb/s。说好的160MHz带宽和8空间流呢?   当然,巧媳妇难为无米炊,那时候,地球上还没有3个空间流以上的Wi-Fi芯片,谁也做不出更快的路由器。用户也没当回事,毕竟那些54M的路由器都还有市场,就算去肯德基坐着玩手机时网络慢得像头驴,也会想到“这是因为人太多了”的原因。用户不会去思考802.11ac为什么货不对版,IEEE和WFA这两位标准制定者也没给个说法。但厂商不能坐着等,大家继续深入挖掘802.11ac的“隐藏技能”。
  在CES 2014上,Ouantenna带来了基于802.11ac的新技术Wave 2,它支持160MHz通道频宽和MU-MlMO这是必须的,空间流也增加到8条,这么一番改进有望让连接速度猛增至10G b/s!按这个速度传输数据,别说机械硬盘了,连一般的SSD都扛不住,必须得上PCI-E的SSD70 0uantenna骄傲地称它为“10G Wi-Fi”(有新技术固然不错,但这样命名显然想故意让人混淆5GHz和10G b/s)。不过这货只是个方案,还没有具体的产品问世。
  华硕在C ES 2014则拿出了具体的路由器产品,号称2400M的RT-AC87U,基于Quantenna的QSR1000芯片打造,支持4×4 MU-MIMO,在802.11ac模式下可提供1733Mb/s的速度,另外802.11n模式提供600Mb/s,1733 600≈2400,这算是厂商宣传的一种文字游戏,就是所谓的“并发速度”。2014台北国际电脑展上,华硕又亮出了旗舰产品RT AC3200,支持2.4G Hz、5GHz Band 1、5GHz Band 4三个频段。其中802.11n模式最高提供600M b/s,802.11ac模式下支持基于2560A M的波束成形和20/40/80 MHz通道,能达到2600M b/s,于是合并起来就成为“3200M路由器”。2014台北国际电脑展上还有博通的5G Wi-FiXStream芯片、高通创锐讯的VlVE4_Stream 802.1 1ac芯片,以及支持20/40/80MHz频宽、6×6MU-MlMO的“3200M路由器”Netgear夜鹰R8000。
  看了这些方案及产品,我们能够发现一些共同点,例如更宽的频宽(160MHz)、更高的调制(2560AM),更多的空间流(4到8个),以及终于正式出现的MU-MIMO。这些特点在理论上仍属802.11ac标准的范围内,但各方面表现都与市场上的802.11ac产品区别太大,该怎么解释呢?
  IEEE和WFA终于站出来说话了。而这时我们才知道,这两位在制定802.11ac规范时就留了个伏笔,将该规范分为两个阶段推行。之前的那些产品,可以叫做802.11acWave 1或者1.0;现在新的标准叫做Wave 2或者802.11ac Triple E或者802.11ac 2.0。所以我们前面讲了这么多关于802.1 1ac的事情,现在终于回到了正题:802.11ac Triple E/Wave 2/ac 2.0,其实都是同—种标准。2.0才是802.11ac的终极形态,1.0不过是个未完成体。它俩的分水岭,就只看是否支持MU MlMO。这句话很关键,哪怕路由器的速度再高,如果不支持MU-MIMO,都是耍流氓。
  说了这么多,那么802.11ac 2.0到底是怎样工作的呢?我们知道,MU-MIMO是802.11ac 2.0最关键的特性。之前的802.11ac产品发射的Wi-Fi信号范围可以看作一个圆圈,各种设备都处在这个圆圈的半径范围内,但路由器一次只能和一个客户端通讯。当一个客户端服务完之后,才会服务下一个,数据传输是轮流进行。就好比你包下了整栋酒店,一次也只能睡一张床。如果接入设备很多,路由器80MHz的频宽和传输总量会被大量分割,大家都在等待和路由器通讯,互相争抢资源,结果是大家都慢得一塌糊涂。
  而路由器用上了MU-MIMO这个“神器”之后就不一样了。它的信号并非360度全向发射,而是通过波束成形和多用户分集技术,将无线信号在时间域、频率域、空间域三个维度上分成三音部分,分别向三台不同的设备发射,这样路由就能一对三同时工作。由于三个信号互不干扰,因此每台设备得到的资源是相等的,而且数据传输能同时进行,传输速率得以成倍提高。不过MU-MIMO需要发送和接受设备两端都提供硬件支持,才能同时进行多设备通讯,而现有的家用路由器和大部分手机、笔记本电脑等均无法支持MU4VIIMO。
  对于家庭用户而言,MU-MIMO的效果不明显。但当一个网络内同时存在几十台甚至上百台设备时,路由器能用传统802.11ac三倍的速度处理请求,负载被大大分散,整个网络的延迟会有明显的下降。对于设备端而言,支持MU-MIMO的设备连接路由器更迅速,减少了无谓的等待时间,接入网络时功耗也会更小。因此,公共空间的热点、企业AP才是MU-MIMO真正的用武之地。虽然支持MU-MIMO的802.11ac 2.0速度更快,但在目前来看还是有些不太成熟。因为MU-MIMO技术需要发送和接受设备两端都提供硬件支持,也就是说,你的路由器和手机必须同时支持MU-MIMO,Wi-Fi才能能同时与多个设备通讯,市面上现有的大部分手机均无法支持MU-MIMO。
  更进一步的IEEE802.11ax
  说到802.11ac 2.0,我们需要提到802.11ax,那么802.11ax又是一个什么标准?我们可以把802.11ac 2.0看作是802.11ax的雏形,它同样会通过5G Hz频段进行传输。目前我们所能知道的是,802.11ax将会进一步提升频谱效率、更好地管理串扰、增强底层协议,并使用正交频分多址接入(OFDMA)来提升路由器可以发射出的数据量,让公共Wi-Fi热点更加快速和稳定。当然,802.11ax具体是个什么规格目前没人知道,因为IEEE的802.11ax规格制定工作小组今年11月才会开始着手制定该规格架构,预计2016年7月完成第一版草案,2017年3月完成第二版草案,并于2019年上半年出版802.11ax修定案。笔者认为,Quantenna在CES2014上展出的“10G Wi-Fi”,应该会是802.11ax的起点。
  目前,联发科、迈威尔、博通及高通创锐讯这几大厂商都于今年的国际消费电子展(CES)展出了802.11ac 2.0芯片方案。而事实上,高通创锐讯和博通这两大通讯芯片厂商其实已经率先在去年的Computex上展出了802.11ac 2.0的芯片方案。那么芯片方案已经有了,最终形态的产品是不是也要与我们见面了呢?在今年的C ES上,包括宏碁、D-ink、TP-ink等在内的几家厂商都已经展出了802.11ac2.0的产品。当然,消费者实际购买到802.11ac 2.0的产品或许还需要一段时间。或许在今年6月的Computex台北展会结束之后,802.11ac 2.0产品会更多地浮出水面吧。
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