淺談 WiFi 無線 ---- 陳友祥 ( 中無通訊第105期 )

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                                本文原刋載於 中無通訊第105期 (2024年1月版) ，作者為 陳友祥先生。


圖一：Wi-Fi 聯盟標誌 ( 圖片來自網路 )

      Wi-Fi 通過無線電波傳輸，無需拖著接線，手提電腦、手機、平板，打開即用，毫無拘束，物聯網系統 IoT ( Internet of Things )，通過 Wi-Fi 連結，令智能家居、安全監控..安裝簡易，新一代汽車，省了連線，遠程 Wi-Fi，將信息傳送到更遠距離，Wi-Fi Direct 直接互連，無需通過網路，伴隨技術提升，Wi-Fi 7 速度已達 46 Gbps，是否升級，見人見智，玩遊戲、3D VR，要求快速，亦要講配合，同世代產品方可發揮，否則也是徒然。

      手機的移動通訊網絡，亦使用相近頻譜，技術改進互相受益，無線電波傳送途中，會被空氣、水汽、灰塵...影響，頻率越高耗損越大，射程距離相對越短，障礙物會令電波，或吸收、或反射、或通過...，金屬、鋼筋石屎牆，基本無法穿越，磚牆亦衰減嚴重，鍍色玻璃、金魚缸、石膏板次之，透明玻璃、木板、塑膠板，衰減較少，人體亦會干擾信號，室內 Wi-Fi Router，建議安裝較高位置，有產品專門裝上天花。

       IEEE 802.11，Wi-Fi 源於 NCR 收銀機，1980 年成功應用無線替代連線，名 WaveLAN，1991年 IEEE 電氣與電子工程師協會 ( Institute of Electrical and Electronics Engineer ) 訂立了無線區域網路 ( Wireless LAN ) 通信標準，採用 ISM（Industrial, Scientific, Medical Bands )頻段中 2.4 GHz 作載波，傳送資訊。ISM 頻段是開放給工業、科學和醫學界自由使用，無須申請，頻段分 900 MHz、2.4 GHz、5 GHz、6 GHz、24 GHz、60 GHz..等等，不同地區限制有別，亦因市場變化不斷更新。

      1999年，六家技術公司組成全球性非營利協會--無線乙太網路相容聯盟 WECA ( Wireless Ethernet Compatibility Alliance )，致力推動無線連網技術，2000年正名：Wi-Fi Alliance ( Wi-Fi 聯盟 )，提供產品測試、認證，合格產品獲發 Wi-Fi 標識，2013年 Wi-Fi 聯盟與 WiGig 聯盟 WiGig Alliance ( Wireless Gigabit Alliance ) 合併，WiGig 於 2012年發表採用 60 GHz 載波，提升傳輸速率至 6.93 Gbps，亦即 IEEE 802.11ad規格，2018年 Wi-Fi 聯盟採用世代編號，將 802.11ax 稱為第六代 Wi-Fi 6、802.11ac 為 Wi-Fi 5、802.11n 為 Wi-Fi 4。

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圖二：2.4 GHz 頻帶圖 ( 圖片來自網路 )

IEEE - 802.11 ( 1997 年 )
      載波頻率 2.401 GHz ~ 2.4835 GHz，相隔 5 MHz 共十四個頻道  ( 14 ch )，( 北美是 ch1 ~ ch11 )，頻寬 20 MHz ，覆蓋了相鄰頻道，ch1 ~ ch5 互相重疊，只有分別使用三組如 ch1、6、11方可避開鄰頻道干擾 (圖二 )，調制方式：二進制相移鍵控 BPSK  ( Binary Phase-Shift Keying )，使用 DSSS 直接序列擴頻技術，減少信號干擾，理論最高數據傳輸率 ( Data Rate )  2 Mbps ( Megabits per second )，bps 線路每秒可傳輸位元數 ( bits per second )。

擴頻  Spread Spectrum：( 原屬軍用，避免敵人偵聽 )
      FHSS 跳頻傳輸 ( Frequency Hopping Spread Spectrum )，發射時按固定編排如 ch 6、1、7、2，接收端必須按相同次序接收，頻寬 1 MHz，分 75 個跳越頻道，規定每 250 ms 跳越一個頻道，亦即每秒跳越 4 個頻道傳輸信號，FHSS 隨後已不再使用。

      DSSS 直接序列擴頻 ( Direct-Sequence Spread Spectrum )，將要傳送的信息，通過 "異或門" Exclusive-OR, XOR gate 的基本原理，加入虛擬雜訊序列 PNS ( Pseudo-Noise Sequence )，接收機必須使用相同 PNS，方能解碼原來信息，有如加密與解密。


圖三：DSSS 直接序列擴頻

IEEE - 802.11a  ( 1999 年 )
      使用 5 GHz 頻段，頻寬 20 MHz，能攜帶更多信息，北美只用 5.180 GHz ~ 5.320 GHz，U-NII ( Unlicensed National Information Infrastructure ) 波段，共八個頻道  ( 8 ch ) 供室內用，發射功率最高 50 mW，及後更改為 200 mW，須要 DFS 動態頻率選擇功能 ( Dynamic Frequency Selection ) ，及 TPC 發射功率控制 ( Transmit Power Control )，並有一個頻道供室外用，容許 800 mW 水平發射，超越水平面 30° 之全方向限制為 125 mW，避免干擾衛星通訊系統。64 QAM + OFDM 調制，最高數據傳輸率 ( Data Rate )  54 Mbps，功效超越同期 802.11b，只因當年成本高昂，生產商傾向 2.4 GHz 產品。

      QAM 正交幅度調製 ( Quadrature Amplitude Modulation )，通過調相及調幅方式，將二進制數據加到載波傳送，16 - QAM ( 見圖四 )，共十六種狀態，亦稱符號，每符號最多包含四個二進位數據，由 0000 到 1111，外圍十二個符號分別使用不同相位，內裏四個符號與外
圍重疊，使用較低調幅予以區分，調幅度為 1：2。


圖四：16 - QAM 陣列

圖五：64 - QAM 陣列 ( 圖片來自網路 )

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      OFDM 正交分頻多工 ( Orthogonal Frequency-Division Multiplexing )，來自 FDM 分頻多工 ( Frequency-Division Multiplexing )，FM 立體聲就是利用單個 38 KHz 子載波 ( Subcarrier ) 加載 L - R 信息，從而令收音機能解出左、右兩聲道。正交是數學概念，看波型會發現，子載波相差 90度，雙交點都是零 ( 見圖六 )，兩子載波雖然重疊，但不致互相干擾，OFDM 用於所有高速無線通信技術，將串行資料切割，通過 QAM 調制，經反快速傅里葉變換 inverse-FFT ( Fast Fourier Transform )，交主波送出，接收端通過快速傅里葉變換 FFT ( Fast Fourier Transform ) ，並解調重組取得數據。


圖六：子載波相差 90度，雙交點都是零 ( 圖片來自網路 )

IEEE - 802.11b ( 1999 年 )
      使用 2.4 GHz 頻段，調制方式：四相相移鍵控 QPSK ( Quadrature Phase-Shift Keying )，亦稱正交相移鍵控，通過 0°、90°、180° 和 270° 相移調制載波，比 BPSK 只通過 0° 和 180° 相移調制載波，能攜帶更多信息，使用 "多相互補碼" CCK ( Complementary Code Key )，理論最高數據傳輸率 ( Data Rate ) 提升至 11 Mbps，最先使用 802.11b 是蘋果 iBook 。

IEEE - 802.11g  ( 2003 年 )
      使用 2.4 GHz 頻段，64 QAM + OFDM 調制，共編配 52 個子載波，48 個用於數據 ( Data )，4 個導頻子載波 ( Pilot subcarriers )，理論最高數據傳輸率 ( Data Rate )  提升至 54 Mbps。


圖七：OFDM 原理圖

Wi-Fi 4 - 802.11n  ( 2009 年 )
       使用 2.4 / 5 GHz 雙頻，2.4 GHz 合併兩個 20 MHz 頻段擴闊至 40 MHz ( 圖八 )，攜帶更多信息，64 QAM + OFDM 調制，MIMO 多天線多入多出傳輸 ( Multiple Input Multiple Output )，通過 SDM 空分複用 ( Spatial Division Multiplexing ) 技術，支援最多 4 個串流 ( 4 x Streams )，單個串流最高速度 150Mbps，理論最高數據傳輸率 ( Data Rate ) 提升至 4 x 150 = 600 Mbps，通過訊框聚合 ( Frame aggregation ) 機制，一旦用戶請求頻道並擁有傳輸權，信息將不停下傳，不必釋放頻道直至完成，無需逐段重發請求，提高數據吞吐量。4 x 4 MIMO 是兩支發射天線，分別處理 2.4 / 5 GHz，規格用 4 x 4：4 顯示，首位是 4 x Tx，應用 4 支天線或兩支天線各自擔負 2 x Tx，中間是 4 x Rx，後面是 4 個串流，若是 2 x 2：2 就是兩發射、兩接收、兩串流，速度減半。


圖八：2.4 GHz 頻段擴闊至 40 MHz，倍增子載波數量，攜帶更多信息


圖九：MIMO 原理圖

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圖十：802.11ac  5 GHz 頻道列表

Wi-Fi 6 / 6E - 802.11ax  ( 2019 年 )
       針對大型場館、辦公室等密集、高流量環境，使用 2.4 / 5 GHz 頻段，分 12 個頻道，2.4 GHz 4 個 ( 北美只有 3 個 )、5 GHz 8 個，1024 QAM + OFDMA 正交頻分多址調制 ( Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access )，每個數據包可傳輸更多數據，子載波頻率收窄至 78.125 KHz，OFDMA 能改變每個用戶的子載波數量和大小，對信道變化和用戶需求更加靈活，雙向 MU-MIMO，基站可同時與多個用戶溝通，允許共用同一頻道，支持多址接入，增加網絡容量，通過 LTE 蜂窩基站技術 ( Long Term Evolution cellular base station technology )，擴大用戶移動範圍。Wi-Fi 6E 增加 6 GHz 頻段，可利用多達 14 個額 外的 80 MHz 通道，或 7 個額外的 160 MHz 通道，理論最高數據傳輸率 9.6 Gbps，WPA3 加密數據更保安全。

Wi-Fi 7 - 802.11be  ( 2023 年 )
       加入多鏈路操作技術 MLO ( Multi-Link Operation )，靈活調動三頻 2.4 / 5 / 6 GHz，可與用戶通過多鏈路連接，同時使用三個頻段，用戶距離基站較遠時，自動轉到較高場強的 2.4 GHz，多資源單元分配 MRU ( Multi-Resource Unit )，一個 160 MHz 頻寬，可以切成兩個 80 MHz，或四個 40 MHz 使用，前導碼打孔 ( Preamble puncturing )，以 20 MHz 的增量，進一步分割頻譜，更好利用資源 ( 圖十四 )，4096 QAM ( 4K QAM )，16 x16 MU-MIMO 空間串流的數量增加到 16 個，理論最高數據傳輸率 ( Data Rate ) 46 Gbps。


圖十一：Multi-RU 更好利用資源


圖十二：Intel 圖片 Multi-RU & Puncturing ( 圖片來自網路 )


圖十三：Wi-Fi 5、6、7 速度比較


表一：歷代 Wi-Fi 列表

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Wi-Fi Direct 直連 ( 2010 年 )
       這項協定由 Wi-Fi 聯盟發展，前稱 Wi-Fi 點對點  P2P ( Wi-Fi Peer-to-Peer )，使用 2.4 / 5 GHz 雙頻段，允許應用程式連接到附近的設備，無需通過基地台 ( AP Access Point )，只要裝置支援 Wi-Fi Direct，通過邀請及同意，都能互相連通，WPA2 加密避免截聽，若裝置支援一對多，更可組成群組進行廣播，Printer 有此功能可以直接列印，無需經網路連接。


圖十四：Wi-Fi Direct 直連，支援的設備以 Direct 字樣開頭 ( 圖片來自網路 )

WiFi Mesh Extender 網狀延展器，( Mesh WiFi )
       室內若有 Wi-Fi 死角，可用 Wi-Fi Extender 延展器，用 LAN 線或經無線連接至延展器，作中繼擴展到死角，網狀延展器 WiFi Mesh Extender，運用蜂巢式移動通訊概念，由 Router 與多個子機( 有廠家命名衛星 Satellite ) 組成網狀，一套三個 Router + 兩子機，亦有只售 Router，子機另購，分三頻 Tri-band 與 四頻 Quad-band ( WiFi 6E )，分別是：三頻 = 2.4 + 5 GHz + Backhaul 頻道、四頻 = 2.4 + 5 + 6 GHz + Backhaul 頻道，設有檢測功能，若發現上網器件移近另一子機，會自動斷開，交由最接近子機連接，時間十分短速，我們不會察覺，舊的延展器甚麼都不管，只負責傳輸，需要上網器件自己搜尋並連接。

前傳 Fronthaul 與 回傳 Backhaul
       通訊術語：前傳 Fronthaul 是上網器件與 Mesh 子機通訊，回傳 Backhaul 是 Mesh 子機與 Router 連通，無線回傳通過 5 GHz 高端特別頻道，以隱藏 Hidden SSID 連通，不佔用正常頻道，不影響速度，若用 Lan 線，則會通過 Lan 線回傳。

       手機測試室內 WiFi 場強，附圖用網上免費版，下方顯示頻道 ( ch )，垂直是信號強度，最高標示 -40 db，頂端 2.4 / 5 / 6 GHz 選擇，按一下跳一次，由於手機接近 Router，波形顯示較強，2.4 GHz 波形顯示，最高的波型是 Router 輸出，佔用頻道 1 ~ 8，共 40 MHz 頻寬，另兩個同頻寬辦之較弱信號，是處於較遠距離之 Mesh 子機，使用較窄頻道的是舊產品，只佔用 ch. 1 ~ 3 及 4 ~ 7，5 GHz 波形穿頂，按比例超過 -30 db，佔用頻道 36 ~ 50，頻寬共 80 MHz，在 ch.149 ~ 165 有個 Hidden SSID 做回傳，Router 是 WiFi 6 三頻，只有 2.4 / 5 GHz 及 5 GHz 回傳，6 GHz 沒信號。


圖十五：Wi-Fi 6 頻道實測 2.4 GHz，ch 1 ~14


圖十六：Wi-Fi 6 頻道實測 5 GHz，ch 36 ~ 64 及 100 ~ 165

Router 產品顯示之數據傳輸率：
       ASUS RT-BE96U 規格 BE19000，前面的 BE 是 802.11be Wi-Fi 7，後面是總數據傳輸率19000 Mbps ( 19 Gbps )，規格書是 1376 + 5764 + 11529 Mbps，即 2.4 + 5 + 6 GHz，若用雙頻器材只得 1376 + 5764 = 7 Gbps，沒有 MIMO 速度更低。

  Netgear RAXE500 規格 AXE11000，前面的 AXE 是 802.11axe Wi-Fi 6e，後面是總數據傳輸率 11000 ( 11 Gbps )，規格書是 1.2 + 4.8 + 4.8 Gbps，即 2.4 + 5 + 6 GHz，雙頻器材只有 1.2 + 4.8 = 6 Gbps。

資料來源：

https://www.cablefree.net/

https://www.intel.com/content/www/us/en/products/docs/wireless/wi-fi-7.html

https://www.electronicdesign.com/

https://www.electronics-notes.com/

https://www.extremenetworks.com/

https://www.mwrf.com/

https://www.netgear.com/

https://standards.ieee.org/

https://www.wi-fi.org/