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【TECH TIPS】6GHz 無線網路的設計概念

自從無線技術導入網路的世界後,WLAN 一直受到一個主要因素的限制:無線電頻譜,Wi-Fi 剛問世的時候,頻譜被限制在 2.4GHz 頻段內小於 100Mhz 頻寬,在無線網路的各種演進過程中,兩個主要目標一直是更有效地使用頻譜,以及增加頻譜以克服頻道重疊 (overlap) 和傳輸量 (throughput) 的限制。6GHz 頻段提供新的 1200MHz 頻譜,使我們能重新思考如何規劃與設計頻段,並且利用更大的頻段寬度使我們能克服以前的限制 (以前這被認為是不好的做法)。


WLAN 頻譜

頻段重疊的問題


無線網路使用展頻 (SS, spread spectrum) 概念運作,這意味著傳輸的能量跨越了一部分的頻譜,在我們的例子中來看,其寬度為 22MHz 或 20MHz,這就是我們如何得出 2.4GHz 頻段中的三個非重疊的頻段;借助 802.11 a/ac/ax 支援 5GHz 頻段,我們可利用的頻譜增加了五倍,達到 500 MHz,允許 25 個非重疊的 20 MHz 頻道,Wi-Fi 6 則支援了更高的頻率範圍供我們使用:6 GHz 以及高達 1200 MHz 的新頻譜 (這裡會因地理位置而異),如果你所在的地區支援所有 1200 MHz 的新頻譜,則客戶端設備可以使用 59 個額外的頻道!隨著能夠支援這種新頻譜的終端設備上市,至少要考慮我們的無線設計將在關鍵的高密度區域如何發生變化。


容量和傳輸量


根據 Statista 的研究,至 2021 年行動裝置的數量幾乎達到 150 億台,預計很快將達到 160 億台,隨著連網的裝置數量遽增,我們在每個裝置連線 (session) 期間所使用的數據量會成指數級增長,例如:使用 TikTok 每五分鐘就會產生近 100 MB 的數據量,而 Instagram 在同一時段內使用將近 40 MB 的數據量;根據我們的測試,在極端情快下,觀看 4K 超高清視頻串流每小時使用近 6GB 的數據,而瀏覽網頁每小時使用約 15 MB;因此我們需要謹慎評估容量和傳輸量這兩項關鍵要素,為這些數據密集型服務提供足夠的頻寬。


對於有線網路,如果我們需要額外的容量,可以輕鬆地添加另一個交換機 (switch),從而透過上行 (uplink) 提供額外的傳輸埠和已知的傳輸量;另一方面,使用無線網路就沒有想像中的容易了,添加額外的 AP,就不如想像中的那樣真正提高無線傳輸的容量;想像一下,監督複雜的道路系統設計和建設,以便人民進出,實現這個目的最簡單的方法就是建設單向與雙向道路,因此車輛可以很容易在各自的車道上進出城鎮;現在,幾年過去了,您已經置身在繁榮充滿活力的城市中心,這時已建設好的單向車道的交通流量已經大幅增加,這時就需要投資多車道的道路,而每一個車道都相當於我們無線網路的頻道,我們擁有的車道數越多,可以承受的交通流量就越大,但是一旦車道被占用,就會開始形成壅塞。將這些知識帶回到我們最初添加 AP 的概念,我們可以看到如果這個 AP 新增到已經占用的頻道,我們並無法應加額外的容量,這是一個有限的能力。


多年下來,我們的數據使用情況已經從電子郵件和互聯網瀏覽,逐漸轉變成 TikTok、Instagram 和 Netflix,我們使用這些通道的方式也產生了變化,從3條、增加到12條、再增加到15條,但當你沒有空間再增加車道時,會發生甚麼事情?加拿大安大略省的401高速公路是世界上最繁忙的高速公路之一,有幾十條車道,但仍然會出現壅塞,那麼如果我們可以將更多數據 (也就是人) 同時放入一輛車和一條車道上呢?


添加額外的 AP 可能不會如想像那樣增加無線傳輸的容量

“添加額外的 AP 可能不會如想像那樣增加無線傳輸的容量”


這些大量使用數據的應用程式是道路上的超大負載,平均車道寬度約 3-4m,這是一個已知的測量值,就像頻道中可用的頻寬一樣,已知的理論最大值,需要兩條車道才能清除 6m 的負載,我們可以透過允許車輛使用領航車輛跨越兩條車道並在不壅塞的時間行駛來調節交通狀況,對於無線傳輸,我們透過利用比 20 MHz 夠大的頻寬 (例如 40 MHz、80 MHz 甚至 160 MHz) 來調節這些負載,這是透過將多個通道組合成一個通道來完成;聽起來不錯吧!但這有一個缺點,在 5 GHz 下的 25 個通道突然變成 12 個,甚至在 160 MHz 下變成 2 個,透過組合 5 GHz 的 25 個通道,我們有效的降低了整體的傳輸量和容量,因此,無線設備需要更多頻譜,而 6 Ghz 可以解決這一需求。


6 GHz 即時救援!6 GHz 代表 12000 MHz 可用頻譜的潛力 (具體取決於區域限制),我們不一定需要 59 個20 MHz 頻道,甚至 29 個 40 MHz 頻道,6GHz 的真正優勢在於,除了 5GHz 頻段中的 25 個 20MHz 或 12 個 40MHz 頻道外,還有 14 個 80MHz 或 7 個 160MHz 頻道可用,現在我們可以輕鬆地將串流媒體和虛擬實境設備等高數據使用率的設備升級到 6 GHz 頻段,從而允許 80 MHZ 和 160 MHz 頻寬,讓它們在需要時漫遊至 5 GHz。


一段時間以來,第一次我們可以擁有一個乾淨的平台,6GHz有豐沛頻寬且相對乾淨的頻段,這將使我們可以一個全新的設計概念開始,也不會受限於 “建議” 你怎麼做的先入為主觀念,終端裝置需要支援 WPA3 才能在 6 GHz 頻段運作,這個要求是僅在 6GHz 頻段運行的新網路名稱 (SSID) 的驅動因素,我們不需要支援舊的設備。


裝置類別


為了進一步協助分配頻率,創造了三個新的設備類別:低功率室內 (LPI, Low Power Indoor) AP、標準功率 (SP, Standard Power) AP 和超低功率 (VLP, Very Low Power) AP。


LPI 低功率室內裝置為僅供室內使用的固定 AP,其運行的方式可以減少對已經在 6GHz 頻段內運行之現有服務的影響,透過將 AP 端的 EIPR (輻射功率) 限制為 30 dBm 和終端設備限制在 24 dBm,我們將能夠在更高的頻寬上有效的利用 1200MHz 頻譜,LPI AP EIRP 將被要求永久連接整合式天線,這消除了添加更高增益天線的能力,並將 EIRP 增加到最大限制之上。


SP 標準功率裝置主要設計用於室內和室外使用,但將在 6 GHz 頻段、U-NII-5 和 U-NII-7 的子集內運行,由於這些設備獲准可以在室外使用,因此最大 EIRP 增加至 36 dBm,由於更高的 EIRP 可能會干擾 6 GHz 頻段上的現有用戶,在美國 FCC 要求使用自動頻率協調 (AFC) 的頻譜管理服務,當室外裝置上線時,有必要與本地的 AFC 系統通訊,使用地理定位檢索允許和禁止的頻率列表,雖然這對 Wi-FI 世界來說是新事物,但 CBRS (公民寬頻無線電服務) 和其他技術已經使用一段時間了。


最後一個裝置類別 VLP 超低功率為專為交通工具設計,例如汽車、火車等,此類最大 EIRP 約為 14 dBm,VLP 還可以用於高傳輸量個人區域網路設備,例如 VR 耳機,時間會告訴我們 VLP 會發生甚麼,因為主要焦點還是落在 LPI 低功率室內裝置和 SP 標準功率裝置上。


無論您在 6 GHz 上部署哪一類設備,目標之一是成為更好的 RF 鄰居並協調使用,同時允許不同裝置之間的串音干擾 (crosstalk),透過這些新的裝置類別,我們終於可以看到在企業中使用 80MHz 頻寬的實際好處,而非僅僅在家裡!


對 Multi-Gig 乙太網路的需求


當我們使用 80MHz 和 160MHz 頻寬時,我們不能忘記有限回程 (backhaul),支援這些大數據應用的海量通道,就像 G4 亰港澳高速公路檢查站,將 50 條車道合併為 20 條車道。


Reuters/China Daily
Reuters/China Daily

當你在評估新的無線裝置時,請確保您在查看的 Wi-Fi 6E AP 支援 802.3ad、網路聚合控制協議 (LACP)、或 mGig,進而支援 2.5 Gbps 或 5 Gbps;現在為每個 AP 拉兩條電纜也是值得的,這不僅是為了冗餘 (redundancy),也是為了利用 mGig 上的 LACP,實現 雙 2.5Gbps 或雙 5Gbps 的可能性!想像一下,將所有數據流量從您的 Wi-Fi 6 設備傳送到一個 Gigabit 乙太網路上,借助 Wi-Fi 6 可以超額使用 1 Gbps 乙太網路的上行網路。


總結


我們希望您喜歡這篇對於 Wi-Fi 6 頻道的介紹,並了解曾經認為的頻道設計 “規範” 應該受到 Wi-Fi 6 的挑戰,我們擁有 1200 MHz 的新頻譜,可以為我們如何利用他制定計畫並訂下基調,讓我們告別過去,擁抱 6 GHz 頻段為裝置新時代所帶來的頻寬;但要記得,當您針對這些新挑戰進行設計時,NetAlly 的 EtherScope nXG 完全支援用於分析 Wi-Fi 6 和 6 GHz 頻段,以及用於端對端 (end to end) 連接的故障排除和驗證的 mGig 乙太網路測試。


Author bio 作者簡歷


Blake Krone

Blake Krone 是一名獨立的智慧行動的顧問和開發者,主要的工作重點是為財星美國500強和初創公司提供下一代先進的設備和智慧行動的企業導入案例,頻藉著過去佈署大型的單點網路經驗,撰寫了許多訓練教材和技術簡報,來分享所獲得的知識和見解;當他不是在為客戶建置網路環境的時候,就是在建構資料分析工具並實測終端裝置和工具。



備註:

總結來說,台灣國家通訊傳播委員會(NCC)尚未開放6GHz頻寬,相關法規還在研擬階段,因此目前台灣的商用或終端設備,仍僅支援 Wi-Fi 6 技術。


文章出處:NetAlly

文章翻譯:翔宇科技量測事業群


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