802.11 b/g/n/ac 进化史

802.11b 頻率 2.4GHz

上期我們談到802.11a使用ISM（Industrial, Scientific and Medical radio band，工業、科學以及醫療無線頻段）的5GHz頻段，可惜的是各國政府對於這個頻段的使用頻率分歧度較大，在加上能夠傳輸和接收5GHz頻段的硬體設備比較貴，同時也因5GHz頻段的頻率範圍大，前端的天線和收發器的製作較為困難。

802.11b的出場正是為了解決802.11a產品價格過高，市場推廣不利的問題。但2.4GHz同時會被家中既有電器干擾，如微波爐或是無線電話。但當時的時空背景主要以降低價格為考量，干擾問題於是被擺在較後面的順位。802.11b繼承了802.11的DSSS直接序列展頻，以及DBPSK差分2相移鍵（2相位差調變）和DQPSK差分4相移鍵（4相位差調變），所以理論傳輸速率也是1Mbps和2Mbps。不過802.11的FHSS跳頻展頻和GFSK高斯頻移鍵控（高絲頻率偏移調變）已不存在於802.11b之中。如果802.11b只是將FHSS和GFSK廢掉，那這個新規格也不用推出了，802.11b新導入了CCK（Complementary Code Keying，互補碼調變、互補碼移鍵）。

CCK

CCK互補碼調變主要取代掉DSSS中的巴克碼編碼方式，後端調變依然使用DQPSK，原本802.11採用DBPSK調變，11個chip只能代表實際資料1bit（改採DQPSK則是11個chip代表2bit），現在只需8個chip即可代表8bit，速度從802.11的1Mbps（DBPSK）和2Mbps（DQPSK）躍升為11Mbps；若是無線環境比較差的情況下，802.11b的CCK還允許8個chip代表4bit，速度降為一半5.5Mbps。

CCK的編碼方式較為複雜，首先給定1串8bit的資料C＝{d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7}，則會編碼為C={e^j(Φ1+Φ2+Φ3+Φ4), e^j(Φ1+Φ3+Φ4), e^j(Φ1+Φ2+Φ4) , -e^j(Φ1+Φ4), ej(Φ1+Φ2+Φ3), e^j(Φ1+Φ3), -e^j(Φ1+Φ2), e^jΦ1}。Φ1、Φ2、Φ3、Φ4的值由資料C分成4組決定。其中Φ1的值會因為此符號位於奇數或偶數而有差別，兩者相差180度。

假設此符號為第偶數個，則當(d0, d1)＝(0, 0)時、Φ＝0；(d0, d1)＝(0, 1)、Φ＝π/2；(d0, d1)＝(1, 1)、Φ＝π；(d0, d1)＝(1, 0 )、Φ＝3π/2，確定角度之後再代回公式即可算出。之後的d2～d7則是兩兩一組，依照QPSK的方式得出相位值（注意此處不是格雷碼編碼），[di, d(i+1)]為(0, 0)時、Φ＝0；[di, d(i+1)]為(0, 1)、Φ＝π/2；[di, d(i+1)]為(1, 0)、Φ＝π；[di, d(i+1)]為(1, 1)、Φ＝3π/2。詳細DQPSK和PQSK的轉換請見附表。

假設現今有串8bit的資料為C＝{1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1}，根據附表轉換為Φ1＝3π/2、Φ2＝0、Φ3＝π、Φ4＝π/2。代換回公式即為C={e^j(3π/2+0+π+π/2), e^j(3π/2+π+π/2), e^j(3π/2+0+π/2), -e^j(3π/2+π/2), e^j(3π/2+0+π), e^j(3π/2+π), -e^j(3π/2+0), e^j(3π/2)}＝{e^j(3π), e^j(3π), e^j(2π), -e^j(2π), e^j(5π/2), e^j(5π/2), -e^j(3π/2), e^j(3π/2)}。再根據尤拉公式e^jθ＝cosθ＋jsinθ進行運算，變成C＝{cos（3π）＋jsin(3π), cos（3π）＋jsin(3π), cos（2π）＋jsin(2π), －cos（2π）－jsin（2π）, cos（5π/2）＋jsin（5π/2）, cos（5π/2）＋jsin（5π/2）, －cos（3π/2）－jsin(3π/2), cos（3π/2）＋jsin(3π/2)}＝{－1, －1, j, －j, j, j,1, －1 }，最終{1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1}經過CCK之後就會變成{－1, －1, 1, －1, j, j, j, －j }。

由於CCK將資料編碼成複數chip，所以同時需要I、Q通道表示1個chip、如果編碼出來為1，則I、Q分別傳送0、0；若為j，則I、Q為0、1；若為－1，則I、Q為1、0；若為－j，則I、Q為－1、－1。

5.5Mbps 小更動

802.11b引入的CCK有2種速率，11Mbps和5.5Mbps，如果今天空間中的雜訊實在太多，符號錯誤率超過8％，則會改採5.5Mbps的速率。兩者編碼的步驟大致上相符，只不過輸入的8bit資料變成4bit，所以在算式的地方有些小小變更。假設C={d0, d1, d2, d3}，d0和d1依然拿來選擇Φ1的角度，其餘Φ2、Φ3、Φ4的角度則是變成Φ2＝（d2×π）＋π/2、Φ3＝0、Φ4＝（d3×π）。

在解調方面，由於將每8bit分成4組相位，而4組相位又分別有4種不同的值，所以總共會產生4^4＝256種可能性。最普通的解法是將收到CCK編碼和256組CCK編碼之中，每個chip的共軛複數相乘後相加，於是得到256組複數。在這256組複數中，再找出值（I^2＋Q^2）最大的那組，其對應的8bit資料就是傳送端傳來的資料。

這其中還有些變通的辦法減少解調端的運算負荷量，例如Φ1在每個CCK碼之中都有，便可把Φ1提出來變成C＝e^jΦ1{e^j(Φ2+Φ3+Φ4), e^j(Φ3+Φ4), e^j(Φ2+Φ4) , -e^jΦ4, e^j(Φ2+Φ3), e^j(Φ3), -e^jΦ2, 1}，運算量就可以從4^4變為4^3，除了這個之外，還有其他更為快速的算法，在此就不一一列出。

CCK 還是正交

CCK所使用的算式C={e^j(Φ1+Φ2+Φ3+Φ4), e^j(Φ1+Φ3+Φ4), e^j(Φ1+Φ2+Φ4) , -e^j(Φ1+Φ4), e^j(Φ1+Φ2+Φ3), e^j(Φ1+Φ3), -e^j(Φ1+Φ2), e^jΦ1}看起來相當奇怪，但其實是Walsh/Hadamard矩陣的變化，如果把相位和其所出現的位置畫成表格，就很容易看出來。

敏感的人應該已經察覺，相位的出現有其規律性，Φ1每個位置都出現，Φ2則是隔1格位置出現，Φ3是將2格分成1組，隔1組出現，Φ4則是4格1組，隔組出現，這種巧合正好是8階Walsh/Hadamard矩陣的其中4列。Walsh/Hadamard矩陣很重要的一點就是每列相互正交，兩兩內積為0。

 

▲1個8階的Hadamard矩陣。

802.11g

802.11b的後期還有個小插曲，就是在IEEE 802.11g未出現之前，就已有無線晶片廠商各自擁護自己的增強規格，像是CCK22、CCK33，或是導入802.11a的OFDM都有人做。不過最後在802.11g正式規範當中，把802.11a和802.11b做整合，802.11b的速率1、2、5.5、11Mbps原封不動搬到802.11g之中，再把802.11a的6、9、12、18、24、36、48、54Mbps抓進來，並把5GHz的運作頻段改為2.4GHz。如此一來，就可以結合802.11b採用2.4GHz，傳輸距離比較長，以及802.11a使用OFDM速度快的優點。

可惜事情不是憨人想的這麼簡單，由於802.11g同時相容802.11b，如果今天802.11g的無線網路中，進來了某個只支援802.11b的用戶端，那麼所有802.11g的用戶必須轉為使用802.11b的模式。主要的原因在於802.11b用戶端看不懂OFDM調變，會認為目前空間中沒有訊號在傳輸，就把訊號打出來，影響到其他使用OFDM的用戶，使得整體無線網路交通打結。

b/g protection

在802.11 b/g混合使用的無線網路中，如果原本沒有802.11b的終端裝置加入，大家就用802.11g的速率來溝通。現在若是有802.11b的裝置加入，則AP會發出通告，向所有連線終端裝置表示現在有802.11b裝置加入，請大家使用保護模式。所謂保護模式，其實也就是之前我們所談過的RTS/CTS機制，由於802.11b看不懂802.11g的東西，所以802.11g的設備在傳送資料之前，都必須以802.11b的速率發送1筆含有時間間隔的RTS訊息，所以當802.11b的裝置收到這筆RTS時，會回覆1筆CTS的訊息，同時了解時間間隔。

在這時間間隔中，發出RTS的802.11g裝置即可以802.11g的速率和其他節點溝通，在此同時，由於802.11b裝置已經收到含有1段時間的RTS訊息，802.11b裝置就明白在此時間之中都不可以傳送資料，無論通道是否忙碌。RTS/CTS機制可宣告1段時間讓802.11b裝置進入安靜狀態，就不會因為看不懂802.11g的高速速率，而發出訊框和802.11g的訊框相互衝突。

802.11n

802.11g和802.11n之間的交接期可說是相當混亂，先有Broadcom和Atheros分別自行提出的Afterburner和Super G技術，前者最高連線速度可達125Mbps，後者則是108Mbps，但是由於2家在市場上是競爭關係，彼此技術並不相容，需要無線基地台和無線網卡皆支援此技術，才可享受更為快速的無線網路。

在802.11n正式版尚未出爐的情況下，就有廠商依據IEEE 802.11n draft草案規格自行製作產品，可惜當時還是你彈鋼琴我敲木魚的情況，大多數情況下僅有同1家廠商的晶片才可跑出最佳速度。

這種亂七八糟你說我唱的詭異相容性，在Wi-Fi聯盟針對802.11n draft 2.0產品進行認證測試之後才好得多，之後的draft 3.0和正式版出來之後就比較少人關心了，因為產品之間的互通性大致上已經沒有問題了。802.11n使用相當多的技術來改善傳輸速率，但在調變時依然採用PSK和QAM，以下將一一說明。

Block Acknowledgement

原先802.11無線傳輸標準中，當接收方每收到1個訊框時，接收方就要回應1個ACK給傳送方，如此一來，當某個訊框無法正確到達目的地時，傳送方立刻就會知道並重新傳送1次。

802.11n則是稍微犧牲了一些即時性，現在數個由傳送方送來的訊框，可由1個Block ACK全部確認，Block ACK包含了64 x 16bit的bitmap，內部放入之前數個由傳送方傳送而來的訊框成功與否的資訊，成功設定為1，失敗設定為0，傳回發送方之後，即可對比找出失敗的訊框重送。由於無線網路很難做到全雙工，一旦空間中塞滿了許多的ACK，傳送方便無法傳送訊息；Block ACK主要就是將多個ACK整合在一起，相對來說提升通道的利用率。

Frame Aggregation

回應的資料能夠包裝在一起，傳送的資料當然也可以打包在一起。在802.11n中，有2種方式將較短的資料包在一起變成較長的資料，分別為A-MSDU和A-MPDU。

A-MSDU主要是將已經經過網路層的資料（MSDU），打上表頭之後稱為MSDU subframe，將許多MSDU subframe包在一起，就是1串A-MSDU，之後再將這串A-MSDU包上媒體層表頭和尾部的FCS偵錯。將多個MSDU subframe包在一起，就可去掉數個媒體層表頭和FCS所占去的空間。

媒體層包完的東西稱做MPDU，在進入實體層時把多個MPDU包在一起就是A-MPDU技術，除了減少實體層表頭之外，由於此層在網路階層中為最後1層，接下來傳輸時須進行無線網路通道資源的競爭，如果把5個MPDU包在一起，原先需經歷5次的資源競爭瞬間變為1次，同樣也可提升通道資源利用效率。

 

▲A-MSDU和A-MSPU聚合的示意圖。

Short Guard Interval

在802.11n之前，每傳送2個符文（symbol，無線網路中傳送1次資料的最小單位）之間，必須有800ns的保護區間，目的是希望降低多重路徑干擾下，符文與符文之間的相互干擾。

802.11n有個選配的400ns保護區間，目的同樣也是提升通道資源利用率，但在複雜環境下則有可能增加符文與符文之間的干擾，反而讓實際傳輸速率降低。如果在最好的狀況下，保護區間由800ns變為400ns，大約可帶來11％的速度提升。

更多的子載波、64-QAM

802.11a和802.11g皆使用OFDM，將載波切成48個彼此正交的子載波進行傳輸，抵禦多重路徑干擾，802.11n則是採用52個子載波，速度快上8.3％。此外，802.11n也將編碼率從802.11g的3/4拉高至5/6，意即在傳輸的資料中，實際的資料佔去5/6，提供錯誤更正的資料占去1/6。

802.11n於調變部分同時使用BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM技術，配合上不同的編碼率，產生6.5～65Mbps的連線速率。若是加上前述Short Guard Interval，則是7.2～72.2Mbps。

40MHz、5GHz

802.11n有個選配選項，可將相鄰的20MHz頻段整合成1個40MHz的頻段進行傳輸，傳輸量因而加倍，若是搭配Short Guard Interval一同服用，頻寬增為15～150Mbps。至於為何不是72.2 x 2＝144.4Mbps，是由於結合2個20MHz的頻段，原先用來隔離各個20MHz的保護區間就可捨去，因此使用40MHz之後，子載波並非52 x 2＝104個，而是108個。

另外，由於2.4GHz頻段塞車日益嚴重，802.11n也重新帶入了802.11a所在的5GHz頻段，但由於各國對於5～5.8GHz這個頻段開放程度不一，有時會有產品不相容的事情發生。

MIMO

過往無線傳輸視多重路徑干擾為大敵，同一訊號經由許多物體反射後到達目的地，很容易因為些微時間差造成訊號變化，無法解讀出原始訊號為何？但在802.11n中卻將這種多重路徑變為優點，在空間中放置多組天線，並同時利用多組天線傳輸和接收，由於多組天線可辨識出不同的訊號流，因此在不增加頻寬的情況下，大幅增進傳輸速度。1支天線收發最快為150Mbps、2支天線最快為300Mbps、3支天線最快為450Mbps，而802.11n最高可使用4T4R、600Mbps，但目前市面上並無這種規格的商品可供選擇。

TxBF

多天線收發除了能將資料分配到不同的天線上同時傳輸，增加頻寬之外，多天線還可進行波束成型（Transmit Beamforming、Beamforming）的功能，藉由多組天線傳輸同一組資料，各天線傳輸資料時會有些微的時間差，造成電磁波在部分空間因為相位相同、振幅增加，因此可鎖定接收方的位置將訊號集中。此功能為選配，如果使用者在無線產品包裝盒上看到類似訊號集中的文字敘述，那麼八九不離十就是此功能。

STBC

由於行動裝置受限於體積、電池容量等因素，並不見得擁有這麼多組的天線與收發模組，但是無線基地台大多數時間擁有多組天線，於是便可利用多組天線，傳輸同一組但不同編碼的資料，對於接收方來說，可提升接收品質，讓傳輸錯誤比例下降。

維持向下相容性

802.11n無線基地台允許和較舊的802.11 a/b/g設備相互溝通，為此訂下了3種模式：Non-HT（Legacy）、HT Mixed、HT（Greenfield）。Non-HT（Legacy）不採用802.11n相關的標準，也就是運作模式退回到802.11 a/b/g；HT Mixed模式就如同之前802.11g相容802.11b的運作方式，首先會以大家都看得懂的速率傳送RTS/CTS，之後才會以較高速率傳送資料，就算是只支援較低速率的裝置，也因遵照RTS傳來的時間間隔，不會誤認目前無線傳輸通道沒有人正在使用，丟出訊框造成碰撞。

HT（High Throughtput）模式，也稱作Greenfield模式，此模式假設無線基地台以及附近無線裝置均支援802.11n，沒有採用其他標準的無線裝置存在，因此全程採用802.11n標準相互溝通。在這模式下，使用老舊標準的無線裝置並無法和無線基地台溝通，也無法得知目前傳輸頻道正在使用中，所以使用此模式必須非常小心。一般來說802.11n無線基地台皆會支援Non-HT（Legacy）、HT Mixed模式，Greenfield則是看各家廠商列為選配。

802.11ac draft

如同802.11n，802.11ac同樣在草案階段就有晶片廠商搶先推出產品，Broadcom在此戰搶奪先機，市面上第一批出貨的802.11ac draft產品全部採用Broadcom晶片，第二批才有Qualcomm Atheros、Ralink、Realtek、Intel……等晶片。

在802.11ac規格部分，運作頻率強制鎖定5GHz頻帶，因為擁擠和導入80MHz頻寬的關係，2.4GHz被拋棄無法使用；160MHz頻寬列為選配，可由連續或是不連續的2個80MHz頻寬組合而成（目前市面上的802.11ac產品僅支援80MHz）。MIMO多天線收發則是選配最多8支（目前市面上最多3支），且導入選配的Multi-user MIMO，不同天線可和不同的裝置同時進行溝通（目前市面上皆無支援此技術）。標準調變一樣為64-QAM和5/6編碼率，選配調變方式多出256-QAM，最高5/6編碼率；原先在802.11n列為選配的波束成型，在802.11ac則是列為標配。

目前802.11ac最新的版本為draft 5.0，多台802.11ac draft無線路由器所使用的Broadcom BCM4360為draft 2.0版，Wi-Fi也早在今年6月就開始802.11ac的認證測試，預計今年底或是明年初，IEEE就會發布正式版的規格。