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淺談 WiFi 無線 ---- 陳友祥 ( 中無通訊第105期 )

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發表於 23-12-2023 16:22:09 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
                                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。

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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。
 樓主| 發表於 23-12-2023 16:36:50 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 23-12-2023 16:46 編輯

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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。

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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。

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圖四:16 - QAM 陣列

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圖五:64 - QAM 陣列 ( 圖片來自網路 )


 樓主| 發表於 23-12-2023 17:15:45 | 顯示全部樓層
      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。

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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。

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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。

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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

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圖九:MIMO 原理圖
 樓主| 發表於 23-12-2023 17:28:28 | 顯示全部樓層
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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。

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圖十一:Multi-RU 更好利用資源

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

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圖十三:Wi-Fi 5、6、7 速度比較

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表一:歷代 Wi-Fi 列表
 樓主| 發表於 23-12-2023 17:40:05 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 23-12-2023 17:45 編輯

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。

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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。

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圖十五:Wi-Fi 6 頻道實測 2.4 GHz,ch 1 ~14

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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/

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