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本章中將介紹802.11n在效能評估分析上所使用相關技術和觀念，及測詴時
所需考慮因素。從1997年IEEE推出802.11標準後，至今802.11底下已存在超過數
十種子標準，探討內容包括無線網路的安全性、頻寬品質、AP涵蓋區的漫遊、
頻譜規畫及高效能傳輸等，其中較為大家所知的802.11a/b/g是討論無線網路的
PHY層及MAC層為主。
最早的802.11b 標準[1] ， 工作在2.4GHz 的開放ISM頻段， 採用DSSS
(Direct-Sequence Spread Spectrum) 技術[16] 和CCK (Complementary Code
Keying)[17]編碼方式。使數據傳輸率達到11Mbps。幾乎和802.11b同時制定的是
802.11a標準[2]，802.11a工作在5GHz開放ISM頻段，採用OFDM (Orthogonal
Frequancy Division Multiplexing)技術[18, 19]，數據傳輸率高達54Mbps。802.11b
由於工作在低頻段，成本低而獲得廣泛的應用，但其數據傳輸率低，為此IEEE
在802.11a/b的基礎上又誕生了802.11g標準[3]。802.11g工作在2.4GHz，採用和
802.11a相同的OFDM技術，數據傳輸率最高可達54Mbps，並向後相容802.11b標
準。接著在2004年1月，IEEE正式成立一新的工作小組，來制定速度更高的802.11n
標準[17, 19]。最初的設定僅比過去的Wi-Fi多一組天線，即使用MIMO技術中的2
×  2天線組態[10, 14]，且傳輸通道也從20MHz拓寬成40MHz[6]，讓最高數據傳輸
率可達300Mbps，如果啟用所有選項，可使數據傳輸率最高達到600Mbps[4]。
OFDM的基本原理是透過多載波傳送，也就是透過將資料序列切割成數個資
料流，以子載波傳送之後再結合而成[13, 17]。與單一載波系統相比，由於多通
道的方式避免了各種訊號同時耗損的可能。故通訊中斷的比例隨之降低，故能有
效降低錯誤率。MIMO技術藉多組接收器及智慧天線與基頻技術[7, 8]，增大傳統
無線網路傳輸距離及數據傳輸率，也是近期802.11n的發展基礎。雖然每次調變/
解調技術的發展，都可增加無線網路的傳輸頻寬，但與有線網路相比，還是相差
一截，802.11n則是利用多天線傳送接收的方式，突破無線訊號物理上的障礙，
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因此802.11n是無線網路革命性的發展。表一顯示無線網路發展的歷史，802.11n
還在草案階段，最新的版本是在2008年5月通過Draft4.0的階段。
表一、IEEE802.11 標準的進展
802.11b 802.11a 802.11g 802.11n
Maximum Data Rate 11Mbps 54Mbps 54Mbps 600Mbps
Differnet Data Rates
Configurations
4 8 12 576
Modulation
techniques
DSSS,
CCK
OFDM
DSSS,
CCK,
OFDM
DSSS, CCK,
MIMO-OFDM
Frequancy Band 2.4GHz 5GHz 2.4GHz 2.4/5GHz
Number of Spatial
Streams and Antenna
1 1 1 1-4
Channel Bandwidth 20MHz 20MHz 20MHz 20 or 40MHz
Approved by IEEE Dec-99 Jan-00 Jun-03 Mar-09 (Expected)
原本802.11n是由WWiSE(World Wide Spectrum Efficiency)與TGn Sync(Task
Group n)兩大陣營相互較勁，雖然WWiSE與TGn Sync各有自己的提案標準，但兩
個陣營主要目的是實現無線傳輸效能的增加，它所應用到的技術卻是一致的，包
含使用OFDM調變/解調技術、MIMO發送接收技術，但WWiSE選擇將功能降至
最少，促使成本降低，而TGn Sync的提案內容比較複雜，保有無線網路功能的豐
富性。後來在無線增強聯盟(EWC，Enhanced Wireless Consortium)主導下，成功
整合WWiSE與TGn Sync兩大陣營的技術規格，積極完成802.11 Draft1.0，內容以
MIMO、無線增強及MAC層增強為主[9, 13]，強化802.11a/b/gPHY層及MAC層的
不足，使得傳輸範圍與穩定度亦相對提升[8, 10]。相互競爭的兩大陣營WWiSE
和TGn Sync，同意在2006年6月合作，完成單一的802.11n提案。具有影響力的無
線網路晶片製造商Atheros、Broadcom、Intel和Marvell曾在IEEE程序外，就802.11n
的一些技術加以運作。但這四家公司最後也都加入了EWC，顯然是希望能就該
標準來共同合作，為下一代無線區域網路網路產品推廣技術規格。
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WWiSE所提出的技術，能夠在2 ×  2收發天線組態和一個20MHz通道的基本
模式下達到135Mbps的數據傳輸率、及利用4 ×  4 MIMO架構和40MHz通道寬度的
選擇模式下達到540Mbps的高數據傳輸率，它可降低實作成本，能大幅改善天線
延伸性及擴大網路覆蓋的範圍，更能與先前的802.11a/g標準相容。而TGn Sync
所提出的技術，除了在20MHz的頻寬下，增加傳送天線之外，也採用了40MHz
的頻寬模式[6]，以2 ×  2收發天線使用40MHz頻寬，分別傳送2組不同資料時，最
高數據傳輸率可達243Mbps，若以4 ×  4收發天線使用40MHz頻寬並分別傳送4組
資料，數據傳輸率更可高達640Mbps[14]，它可延伸頻寬大小及增加傳輸率。兩
完整提案內容都著重在MAC層加入改善輸出效能、提高效率的機制[8]。
802.11n選擇使用MIMO多重發送/接收技術為其核心，利用多根天線的發射
及接送訊號，改善訊號的涵蓋範圍，大幅增強訊號強度及穩定度[15]。802.11n
PHY層的數據傳輸率最高到600Mbps，並加強MAC的傳輸效能與訊框匯集能力
[9]。將兩條20MHz通道合併為40MHz雙通道的Channel Bonding[6]，能夠有效的
提升傳輸頻寬，也可同時支援2.4GHz及5GHz雙頻帶通訊，並能向下相容目前的
802.11a/b/g規格。其他的選項還包括高傳輸率綠燈區模式(High-Throughput
Geenfield Mode)[4]，有助於擴大網路覆蓋的範圍。窄化保護頻帶間隔 (Short
Guard Interval)，可提升10%的數據傳輸率[10]。還有相當重要的訊框匯集 (Frame
Aggregation)方法，可提高MAC的傳輸效率，增加整體的數據傳輸率[9]，以及使
用精簡訊框間隔(Reduced Inter-Frame Spacing, RIFS)來縮短OFDM的資料傳輸的
延遲，使整體的傳輸效能提升[4, 5]。以下將做詳細的說明:
(a) 高效率的OFDM
OFDM 是一種資料編碼的技術，利用一連串的正交載波來傳送信號[17]，因
相互正交的載波不會互相干擾，故可傳送很高的資料量，且有較強的對抗多路徑
通道衰減的能力。802.11a 每個通道有64 個子載波，802.11g 則有52 個。但非每
個子載波都可用來傳輸資料[16]，如802.11a 中，子載波通道頻寬的左邊6 個與
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右邊5 個做為虛載波之用[2]，意即以不送信號的載波作為保護頻帶(Guard
Band)。子載波數愈多愈好，每多一個就表示收發傳遞上，就能多塞一組調變信
號。802.11n 比802.11g 多4 個子載波，在相同20MHz 頻寬下，802.11g 僅有48
個子載波[3]，而802.11n 則為52 個，因子載波數量增加，802.11n 即便是
SISO(Single Input Single Output)的單天線收發[7]，也會比802.11g 的單天線無線
訊號收發表現更為快速。
在802.11n 的52 個子載波中，可以根據所需資料傳送的不同，而有不同調
變模式。分別為BPSK (Binary Phase Shift Keying)、QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying) 、16-QAM (16-Quadrature Amplitude Modulation) 及64-QAM
(64-Quadrature Amplitude Modulation)，再搭配新增一組編碼率5/6[4]。故802.11n
在SISO 情況下，傳輸率可從54Mbps 提高到65Mbps[14]。另一個增加頻寬的方
法是將保護間隔(Guard Interval)，從800ns 縮小到400ns[13]，來增加OFDM 的
符號傳輸率，進一步增加資料的傳輸頻寬，從65Mbps 提高到72.2Mbps。相較於
採用DSSS 及CCK 調變方式的802.11b，802.11n 在PHY 層採用和802.11a/g 相
同的OFDM 技術，但802.11n 採用了比802.11a/g 標準更高的編碼傳輸率和更大
的頻寬，故可增加頻寬、降低干擾並解決多路徑衰減等通訊障礙的問題。
(b) MIMO大幅提升傳輸效能
MIMO技術是802.11n的核心，利用多支天線同時發送並接收資料[13]。MIMO
利用無線傳輸同時發送多個無線訊號，並且利用多路徑來傳輸，每個傳送或接收
訊號都稱為空間串流(Spatial Stream)[4]，每個空間串流都以個自獨立的天線來傳
送，訊號都會通過不同的路徑來發送給接收端，這叫做空間分集[14]。接收端也
有多個天線，每個天線有自己的無線電波接收器，每個接收器都對收到的訊號進
行獨立解碼。如圖一所示，然後將各個無線接收器收到的訊號組合起來，通過複
雜的運算，結果會比通過單個天線或者波束成形收到的訊號好，MIMO的好處之
一就是顯著改進SNR，提高數據傳輸率，2根天線的傳輸率可從65Mbps提升到
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130Mbps，4根天線的傳輸率可從65Mbps提升到260Mbps。把空間串流從一個加
倍到兩個，可有效將資料傳輸率增強一倍[8]。但也有些缺點，如功耗增加和成
本少量增加。系統每增加一個發射端或接收端都會提高SNR，資料數據被分割成
的空間串流通過單獨的天線發送和接受，增加一倍的空間串流可以增加一倍的數
據傳輸率，並大大提高頻譜使用率。
圖一、802.11n 2 x 2 MIMO 通道模型
天線數量愈多也表示數據傳輸率愈高。但有時天線數量可能遠多於空間串流
的數量，例如若AP使用三根天線，而無線網路卡使用兩根天線，就會出現所謂
的“額外”傳輸天線，亦即兩道空間資料串流必頇指派給三根天線。透過多組天
線來傳遞單一空間串流，稱為時空區塊編碼(STBC，Space-Time Block Coding)。
透過增加收發天線的數目來達到增加傳輸率，目前常用的為收發兩端各兩組天線
(2 ×  2)、各三組天線(3 ×  3)、各四組天線(4 ×  4)等，以目前的802.11n草案標準允
許最多4個空間串流[4]。
現有802.11a/b/g多使用單一天線，即便有的末端產品採用雙天線，傳送端會
固定選用一根天線來傳送，而接收端會以訊號來源的強弱，以反覆、快速切換的
方式來使用兩天線，或偵測兩根天線的收發信號強度後，選擇信號較強的一支來
持續使用，並非是兩個各自獨立運作的天線[16, 18]。相對的MIMO多天線，則是
各天線都有自主運作的能力，各天線用自己的調變方式發送電波，用自己的解調
變方式接收電波。
如果定義n ×  m配置為在發射端支援的n個動態天線、在接收端支援的m個動
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態天線，則1 ×  1、2 ×  2、3 ×  3和4 ×  4似乎是802.11n最可能的選擇，但有趣的是n
未必等於m，若n大於m則沒有太大的意義，是因接受器沒有足夠的天線接收所有
發射的串流。但接收天線大於發射天線可用來改善接收器的敏感度，從而取得更
大的覆蓋範圍，故1 ×  2、2 ×  3和3 ×  4都是有意義的配置，讓接收端多一根天線
的好處是可增加傳輸距離和涵蓋範圍。
對MIMO而言，我們可以簡要的說它是一種能在同一時間於相同射頻通道內
傳送兩個或多個資料訊號的技術，因此系統的每一通道可以提供二倍或數倍的資
料傳輸頻寬，藉由同時傳輸多重資料流的結果，可讓MIMO系統在不增加頻寬的
條件下，同時傳送不同的發射資料串流，讓數據傳輸率以倍數提升。
(c) 通道合併
802.11n草案的另一個可選模式是把通道頻寬從20MHz增至40MHz，故可有
效把資料傳輸率提高一倍，40MHz的傳輸率可從65Mbps提升到135Mbps。但頇
權衡的是供其他設備使用的通道會減少，2.4GHz頻段有足夠的空間容納三個不
重疊的20MHz通道。因此，當佔用40MHz的通道時，就剩下極有限的頻寬可以
使用。這意味著智慧動態管理非常重要，讓需要高頻寬的應用能採行40MHz模
式，又能同時滿足某些用戶端的連線需求[12]。保護頻帶間隔(Guard Interval)是
OFDM用來減少Symbol間干擾的時間，在多路徑環境中，後一個Symbol的前端
比前一Symbol的末端更快到達接收端，而讓彼此的Symbol產生干擾，前後Symbol
由不同路徑到達接收端，前一Symbol尚未被接收端接收，而後一Symbol卻可由
一個更短路徑到達，Symbol間的干擾會降低射頻鏈路的訊雜比(SNR)。保護頻帶
間隔是前後Symbol間的一段空白時間，可以幫遲到的訊號提供更長的緩衝時
間，在802.11a/g是使用800ns的保護頻帶間隔，而802.11n有800ns的標準保護頻帶
間隔及400ns較短的保護頻帶間隔可供設定，它所減少的Symbol間隔時間會提高
數據傳輸率， 400ns 是800ns 數據傳輸率10/9 倍。下表二為802.11n 的MCS
(Modulation and Coding Scheme)所對應的Data Rate[4]。
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表二、802.11n 的MCS 所對應的Data Rate
MCS
Index
Number of
Spatial
Streams
Modulation
Coding
Rate
Bandwidth
(20MHz)
Bandwidth
(40MHz)
GI=800ns GI=400ns GI=800ns GI=400ns
0 1 BPSK 1/2 6.5 7.2 13.5 15
1 1 QPSK 1/2 13 14.4 27 30
2 1 QPSK 3/4 19.5 21.7 40.5 45
3 1 16-QAM 1/2 26 28.9 54 60
4 1 16-QAM 3/4 39 43.3 81 90
5 1 64-QAM 2/3 52 57.8 108 120
6 1 64-QAM 3/4 58.5 65 121.5 135
7 1 64-QAM 5/6 65 72.2 135 150
8 2 BPSK 1/2 13 14.4 27 30
9 2 QPSK 1/2 26 28.9 54 60
10 2 QPSK 3/4 39 43.3 81 90
11 2 16-QAM 1/2 52 57.8 108 120
12 2 16-QAM 3/4 78 86.7 162 180
13 2 64-QAM 2/3 104 115.6 216 240
14 2 64-QAM 3/4 117 130 243 270
15 2 64-QAM 5/6 130 144.4 270 300
23 3 64-QAM 5/6 195 216.7 405 450
31 4 64-QAM 5/6 260 288.9 540 600
(d) 訊框匯集
改善傳輸率，除了採用更複雜的射頻技術外，數據封包的傳送方式也是關
鍵。為了達到更佳的網路使用效益，802.11n草案針對MAC層進行重大的改良作
法，包含將數個封包合起來傳送的訊框匯集，使資料傳送週期的間隔能縮到最小
的RIFS，以及透過區塊確認(Block Ack)，減少確認封包的數目。訊框匯集改變了
過去只傳送單一數據訊框的作法，傳送端會將多個訊框整合在一起傳送，以減少
傳送封包中的耗損，此作法能將傳輸率提高30%以上。匯集會增加封包大小並減
少封包數量，進而降低耗損。802.11n定義的匯集包括兩種類型，一種是對MSDU
進行匯集(A-MSDU，Aggregate MAC Service Data Unit)，把可承載資料的最大長
度，從2304位元組提高到8000以上[19]。一種是對PPDU進行匯集(A-MPDU，
10
Aggregate MAC Protocol Data Unit)[8]，兩種機制都已針對不同應用進行最佳化。
區塊確認(Block Ack)是802.11e新增的訊框回應機制，其主要作用是允許來
源工作站將一批屬於特定資料流的QoS Data，以SIFS (Short Inter-Frame Spacing)
為訊框間隔時間連續傳送到目的工作站，目的工作站不用對這些訊框傳回應訊
框。等到來源工作站將整批QoS Data傳送完畢後，再發送一個要求整批回應的訊
框給目的工作站。此時目的工作站才送回這批QoS Data的整批回應給來源工作
站。目的是改善因大量的回應訊框對傳輸媒介使用效率[17]。
(e) 高傳輸率綠燈區模式
全球已有數億台的Wi-Fi設備，故一區域網路中可能同時存在802.11a/b/g的不
同無線網路產品。802.11n的PHY層有三種操作模式，包括non-HT、HT Mixed及
HT Greenfield模式。non-HT是資料只能傳送在802.11b/g傳統模式，只允許同類型
的無線網路來連線。HT Mixed模式就是802.11b/g和802.11n可共存於相同網路上
進行資料存取，而HT Greenfield就是純粹的802.11n操作模式，即忽略所有早期
的標準，只允許802.11n封包格式的無線網路可相互通訊，就能建立最佳傳輸效
能的網路。
總結802.11n技術的好處，可對以前的802.11設備來進行改進。第一是採用
MIMO技術在無線通道上得到更高的信號雜訊比(SNR)，第二是提升了無線傳輸
和MAC層的效率，這些改進使得無線傳輸的可靠性，增強覆蓋範圍和吞吐量都
得到了提高。

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※ 作者: uefangsmith 時間: 2011-12-23 15:38:10