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802.11n穩紮穩打!
邁入發展關鍵時刻的802.11n,即將在數位家庭和企業網通領域席捲應用風潮

【作者: 鍾榮峰】   2008年08月25日 星期一

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無論是儲存裝置互通連結、影像監控、視訊會議,到數位家庭語音、高解析(HD)數位影音視訊串流、IP影音視訊傳輸等應用領域,都需要高傳輸效率、容量大、覆蓋範圍廣且具通訊方便性的無線寬頻技術。802.11n因此被許多無線網通廠商寄望成為數位家庭與企業網通技術的主幹。今年802.11n應用趨勢已漸趨明朗:從筆記型電腦延伸至低價電腦和MID,802.11n正成為攜帶型主機產品必備的功能;同時11n在企業網通與數位家庭傳輸應用更是備受看好。晶片廠商、網通設備供應商及電信營運商已陸續接踵推出各項解決方案,802.11n邁向普及商業化的階段指日可待。


《圖一 Intel所推出的筆電環境低功耗Wi-Fi解決方案OZMO》
《圖一 Intel所推出的筆電環境低功耗Wi-Fi解決方案OZMO》

802.11n技術特色

支援雙通道頻段

802.11n能同時在2.4GHz與5GHz頻段傳輸,不僅能降低延遲及雜訊,更可避免2.4GHz單一共用通道過於擁擠的困擾,突破2.4GHz受到電磁波干擾影響傳輸品質的技術侷限,有效提升視訊串流的穩定度以及覆蓋範圍。包括企業用無線基地台、路由器和橋接器的11n解決方案,在功能上也強調可支援 5GHz(11a/g/n)和2.4GHz(11b/g/n)雙通道頻段。


Atheros企業行銷部資深總監Susan Lansing便強調,雙頻路由器運作兩種頻段,路由器平台可利用相對不受干擾的5GHz頻寬,支援高畫質視訊串流、網路電話等對傳輸延遲敏感度高的應用,並將可容忍延遲的電子郵件和網路瀏覽等資料傳輸,分散至 2.4GHz 頻寬。


雙通道頻段可存取27個不重疊(non-overlapping)的WLAN頻道;其中5GHz可容納最多24個RF通道,2.4GHz則能容納3個。此外802.11n以OFDM技術為基礎搭配MIMO傳輸,各頻段提供300Mbps傳輸容量,這些都有效率地傳送大量頻寬的多媒體內容。


確保QoS傳輸品質

無論是IPTV、瀏覽網際網路、播放DVD等應用,傳送大量高解析(HD)視訊及音訊資料,頻寬要高,具備正確可靠訊號品質(QoS)尤其重要。許多有線傳輸技術最終仍會出現難以緩解的雜訊問題,Broadcom無線區域網路事業線副總裁暨總經理Michael Hurlston便表示,要確保WLAN傳輸高畫質的影像視訊內容,又需符合QoS標準,技術整合挑戰度不可謂不高。


在此,Broadcom路由器設計利用Accelerange技術,提高無線覆蓋率、提升輸出功率增加家庭網路末端的訊號強度、自動偵測多媒體串流並自動調整成最理想的傳送方式、可找出傳輸多媒體的最短路徑,減少傳輸時間,降低干擾機會,確保無線網路中的多點傳播流量穩定順暢。而Atheros在QoS技術方面,包括視訊傳輸控制演算法與群播對單播轉譯,確保順暢傳輸視訊與其他數位內容。Atheros無線網路暨運算事業部副總裁Todd D. Antes進一步說明表示,Atheros的iQUE技術設計,能有效分配頻譜資源、封包分類及優先順序排定;其採用分類與排定優先順序的演算法,分析透過寬頻傳輸或接收的封包,可進行排定網路傳輸流量的智慧管理。


《圖二 具備802.11n功能的數位家庭路由器領域產品正接踵而出》
《圖二 具備802.11n功能的數位家庭路由器領域產品正接踵而出》

降低干擾

IEEE制訂802.11n標準時的初衷,也是希望讓覆蓋範圍更廣、連結效能更強、產品存取點能有最佳選擇的連結頻道,並延續和相容既有Wi-Fi接取裝置廣泛普及的優勢。因此,採用64QAM DSSS/CCK OFDM調變的802.11n,利用特殊的多天線多路徑MIMO傳輸,可辨別回音,將訊號導向單一而更強的路徑,繞過牆壁等對Wi-Fi傳輸形成阻礙的物體,因此能強化訊號、提升傳輸效率、亦能有效抑制干擾。


把干擾與功耗降至最低一直是晶片廠商設計802.11n時不斷克服的重要課題,這也是11n能否進一步擴展影響力的關鍵。有的晶片設計廠商會透過動態資料傳輸率(dynamic Data Rate;DR)與動態電源放大器(dynamic Power Amplification;PA),來達到抗干擾的目的;有的廠商則推出動態頻率選擇(Dynamic Frequency Selection;DFS)技術,可以偵測並降低衛星雷達訊號的干擾。有的廠商加上利用低密度奇偶檢查碼LDPC進階編碼、採用UDP協定、封裝匯聚提升MAC層功能等方式,以及整合式MAC架構、降低Host處理器負擔與功耗,增加傳輸效率,並擴大家庭室內的覆蓋範圍。


《圖三 支援802.11n的Asus低價電腦EeePC 1000H》
《圖三 支援802.11n的Asus低價電腦EeePC 1000H》

筆電平台驅動802.11n普及進程

802.11n自2006年推出第1版標準草案後,經過近2年時間,目前已進展到第5版標準草案。儘管802.11n標準制定尚未底定,晶片及網通廠商依舊持續積極推出新款支援數位家庭和企業網通的802.11n產品。ABI Research研究報告指出,802.11n在商用市場的普及度,端賴筆電平台的採用進程而定。網通廠商評估,若筆電平台改採802.11n標準模組,有助於路由器的銷售,預估路由器將可能在今年下半年明顯成長。


《圖四 支援802.11n的MID樣品》
《圖四 支援802.11n的MID樣品》

目前Intel的Montevina平台和AMD的Puma平台,都支援802.11n無線模組,Apple、Asus、Acer、HP、Dell、Sony、Samsung也相繼推出802.11n終端產品。筆電內建802.11n網路卡市場主要由Intel、Broadcom、Atheros等廠商供應晶片,其中約56%以上的筆電平台採用Intel Centrio Wi-Fi平台。Atheros單晶片解決方案XSPAN雙頻AR9280和單頻AR9281 PCIe,也廣受筆電系統廠商採用。


《圖五 Atheros所推出可支援PCIe及PCI 的雙通道802.11n解決方案》
《圖五 Atheros所推出可支援PCIe及PCI 的雙通道802.11n解決方案》

晶片大廠動態

根據IDC最新調查報告顯示,按照營收排名去年前三大WLAN晶片廠商分別為Broadcom、Atheros和Intel。看好筆電規格邁入802.11n世代,Broadcom、Atheros、Intel、Ralink、Marvell、TI、RealTek等晶片供應商蓄勢待發,積極提高相關產量。Broadcom、Intel、TI已開始導入65奈米製程,其它晶片廠商多以90奈米或0.13微米為主,此外Avago也推出802.11n前端產品。整體來看,802.11n單晶片解決方案仍是今年下半年開發重點,USB dongle發展也有明顯成長。不過目前802.11n單晶片價格仍在10~12美元高位,主流的802.11g單晶片價格只約在3~4美元間,802.11n晶片價格可再往下修正來符合市場需求。


《圖六 內建802.11n無線傳輸功能的Dell筆記型電腦》
《圖六 內建802.11n無線傳輸功能的Dell筆記型電腦》

路由器解決方案

路由器解決方案主要以處理器、802.11n以及媒體存取控制器、基頻處理器、2.4/5GHz無線收發器等元件為核心。Broadcom所推出的雙頻路由器解決方案包括BCM4716、BCM4717與BCM4718,Broadcom無線區域網路事業線副總裁暨總經理Michael Hurlston指出,Broadcom已經持續在無線行動化Wi-Fi應用研發超過2年之久,特別分成2個專業研發團隊,針對晶片微型化及降低功耗設計軟硬體解決方案。目前在整合Wi-Fi/Bluetooth方案上可降低40%功耗以及縮小25%晶片尺寸,未來重點在於進一步深化以65nm製程為基礎,整合Wi-Fi/Bluetooth/FM的單晶片方案,持續降低功耗及縮小尺寸的技術優勢。


《圖八 Broadcom所推出的雙頻路由器解決方案》
《圖八 Broadcom所推出的雙頻路由器解決方案》

Atheros也推出XSPAN AR9002AP單晶片支援802.11n雙射頻路由器平台,並採用AR9220與AR922311n單晶片射頻/MAC/BB設計。Atheros企業行銷部資深總監Susan Lansing表示,Atheros雙射頻路由器平台可提供600Mbps傳輸總量,並能存取27個通道的Wi-Fi頻譜,能有效傳輸高頻寬多媒體內容,可提供家用網路不斷增加的設備容量需求和連結能力。目前Atheros已與友訊合作推出11n入門款AP路由器。


《圖九 Atheros推出的802.11n雙射頻路由器平台樣品》
《圖九 Atheros推出的802.11n雙射頻路由器平台樣品》
《圖十 右為Atheros無線網路暨運算事業部副總裁Todd D. Antes,左為Atheros企業行銷部資深總監Susan Lansing。》
《圖十 右為Atheros無線網路暨運算事業部副總裁Todd D. Antes,左為Atheros企業行銷部資深總監Susan Lansing。》

雷凌(Ralink)也推出支援802.11n AP/Router的單晶片產品,也是把CPU、基頻(MAC/baseband)、射頻RF、10/100M乙太網路交換器及實體層整合為一,主要應用領域以無線路由器市場為主。


在設計802.11n路由器解決方案時,網通設備廠商也會提出有效分配頻譜資源、封包分類及優先順序排定的需求。如前所述,這時晶片廠商便採用可分析寬頻網路傳輸或接收封包的演算法,自動偵測多媒體串流、並自動調整理想的傳送方式,找出傳輸多媒體的最短路徑、降低干擾機會、減少傳輸時間、確保無線網路中的多點傳播流量穩定順暢,進一步支援MIMO天線傳輸品質。網通廠商也會採用支援WPA/WPA2和128-bit WEP加密安全功能,保護網路用戶的資料傳輸安全,進一步強化智慧運算的傳輸效能。


結合乙太網路設計

在傳輸功能上802.11n可比擬既有有線乙太網路(Ethernet),並具備成本及方便性優勢,因此電信營運商會寄望802.11n扮演提升新一代無線版交換式乙太網路行動應用的要角。Michael Hurlston表示,利用光纖或是其他乙太寬頻網路作為數位家庭多媒體裝置網路環境的主幹,價格過高,方便性亦不足,因此電信營運商通常希望藉由802.11n無線傳輸效能作為Last Mile網路架構,既便宜又方便。


《圖十一 Atheros推出一系列結合乙太網路和802.11n功能的設計方案》
《圖十一 Atheros推出一系列結合乙太網路和802.11n功能的設計方案》

不過從降低功耗角度來看,11n尚無法全面取代Ethernet,因此無論是在晶片設計和路由器、無線橋接器、或無線基地台等應用上,都還是會強調連結快速乙太網路與Gb乙太網路等功能。因此處理器會提供實體層的選擇,使AP利用現有的乙太網路供電(Power-over-Ethernet;PoE)基礎設備。例如WLAN網通設備大廠Trapeze的MP-432都配備兩台MIMO無線電發射器,可同時運作雙通道,並支援802.11 b/g/n與a/n。兩個備援的1000Base-T千兆乙太網埠皆支援802.3af、draft 802.3at高功率乙太網路供電功能,可提供MP-432與網路之間的連線。


Broadcom BCM4716便可協助支援連結快速乙太網路與Gb乙太網路的基本WLAN路由器,而BCM4717則在一個小封包中提供WLAN路由器、無線橋接器、機上盒與數位電視等雙頻功能。上述兩款均整合300 MHz CPU,並提供快速乙太網路與Gb乙太網路實體層可作選擇。另外BCM4718則整合533MHz CPU,可促進高階Gb乙太網路路由器達到同時雙頻作業的極限,並且擁有支援媒體儲存路由器的USB主連結埠。


Atheros的AR9002AP也提供高速乙太網路或Gigabit乙太網路交換選項。Todd D. Antes並表示,單板設計除單晶片11n射頻外,包含無線網路CPU、乙太網路或Gigabit乙太網路交換選項,系統整合可省下一半外部元件,不包含記憶體的晶片數也可減少33%以上。


Michael Hurlston則另外強調,Broadcom同時和歐美電信營運商於視訊應用以及DSL和GPON等網路架構充分合作,確保802.11n方案有效支援在數位家庭多媒體環境的傳輸品質,Broadcom預定在今年底設計出能夠同時傳輸3個高解析度視訊內容的802.11n設計架構。就目前寬頻網路市場應用來看,Wi-Fi接取點正逐漸朝向DSL或是有線閘道器模式發展,並逐漸擺脫stand-alone架構,因此包括可支援有線寬頻和衛星機上盒、數位電視、有線數據機應用的各種802.11n單晶片解決方案,也將在今年底前陸續推出。


《圖十二 Broadcom為USB無線網卡設計的單晶片雙頻802.11n解決方案》
《圖十二 Broadcom為USB無線網卡設計的單晶片雙頻802.11n解決方案》

USB dongle

至於在USB無線網卡部分,根據ABI Research的預估,到2011年時,Wi-Fi無線網卡年出貨量將達1500萬個,其中大部分會是雙頻802.11n網卡,市場前景頗為看好。Broadcom已推出為USB無線網卡設計的單晶片雙頻802.11n解決方案BCM4323,擁有直接封包傳送(DPT)功能,不需透過無線路由器,可讓Wi-Fi客戶端裝置直接進行傳輸,且能讓裝置透過最大頻寬300Mbps,同時提供彼此自動偵測、建立安全傳輸連結的功能。Ralink今年初也推出適用各類電子產品的USB Dongle單晶片方案RT3070 RT3070採用雷凌專利的MIMObility技術,支援高達300Mbps的實體層,能延伸傳輸範圍,降低無線效能的死角區域。


企業用無線基地台與橋接器

802.11n在企業無線基地台、企業路由器和橋接器(AP)的應用,已成為今年最主要的發展重點。根據iSuppli預估,802.11n無線基地台與網路橋接和路由器的出貨量,到2011年將會成長至31億台以上。且根據In-Stat Research的研究指出,今年消費性802.11n路由器、閘道與無線網路橋接器的晶片銷售量將達到3080萬顆。晶片廠商也陸續推出支援企業打造802.11n網路的解決方案,例如Broadcom推出結合單晶片BCM4342、FASTPATH網路軟體與企業無線基地台參考設計BCM954342EAP,提供企業交換器的關鍵功能,其彈性設計可用在獨立的無線基地台、以及透過無線交換器或控制器管理的精簡型無線基地台上。


《圖十三 Atheros推出具備802.11n功能的路由器和橋接器參考設計》
《圖十三 Atheros推出具備802.11n功能的路由器和橋接器參考設計》

企業WLAN網路架構要求

Atheros副總裁Todd Antes指出,當企業越來越依賴WLAN網路架構時,企業網路管理員會面臨的挑戰,就是如何以智慧方式,管理連接WLAN網路內各種日漸增多的裝置。從區域定位、資產追蹤、無線網路語音傳輸,到視訊會議、隨選視訊及數位錄影等多媒體應用,網通廠商能不能提供傳輸無間斷、不延遲、低成本、可靠性高、安全性強、且能自動化動態冗餘備援與擴充的WLAN軟硬體解決方案,對於企業內部傳輸網路效能而言非常重要。這時網通廠商會設計不需MCU管理流量的802.11n橋接器,或者採用無間斷無線網路(NonStop Wireless)網路技術,提升運作中升級與無損耗故障復原 (hitless failover)效能,簡化冗餘備援設定,讓802.11n自動化進行動態冗餘備援與擴充作業。


自動化動態冗餘備援與擴充方案

TrapezeNetworks全球系統工程副總裁Michael Coci表示,Trapeze自身開發無間斷無線網路(NonStop Wireless)網路技術的軟硬體產品,可有效符合802.11nWIDS/WIPS的安全性需求,在管理上採用欲測試射頻規劃和叢集組態模式,以虛擬堆疊技術的高可靠性為基礎,能支援無間斷運作,同時亦能提升運作中升級與無損耗故障復原(hitless failover)效能,並簡化冗餘備援設定,可讓WLAN自動化進行動態冗餘備援與擴充作業,因此可大幅降低50~75%架設、維護及擴充可組態WLAN所需的IT運作成本。


《圖十四 Trapeze推出可應用於企業網路的802.11n橋接器》
《圖十四 Trapeze推出可應用於企業網路的802.11n橋接器》

Michael Coci進一步強調,Trapeze在分散式無線作業系統 Mobility System Software(MMS)內即提供 NonStop Wireless 技術。MSS 皆能以自動重新對應資源的方式處理橋接器或控制器的故障或連線中斷問題,企業無須再添購和設定熱備援控制器,可搭配自動重新調整射頻功率與頻道分配功能,並不會影響資料快速傳輸速度,保持連線最佳狀態。同時透過MSS, 更可有效降低網路延遲而提升效能,亦可藉由橋接與網狀網路功能來降低室內外行動的死角範圍。


降低功耗設計

企業利用802.11n雙頻無線基地台提供更高的頻寬和功能,不過連結到橋接器時的功耗,會比既有PoE要來得高;另一方面無線基地台2組無線電波同時運作,往往會超過大部分PoE的功耗上限。現在主要的解決方式是,在無線基地台使用二個PoE埠,採用支援具備援電源功能確保更多運作時間,讓無線企業基地台在公司現有PoE架構下,同時運作2.4和5GHz頻段。此外可藉由升級整個網路來支援新的IEEE 802.3at PoE+標準;或者採用技術檢測調節網路功耗;或在無線基地台採用動態通道規劃、支援多重基本服務群組辨識碼(BSSIDs)等彈性設計。


網通設備廠商各擁一片天

802.11n企業應用方興未艾,網通設備廠商早開始進行自身產品的認證測試作業,以先行提早搶佔市場先機,進一步滿足企業用戶對網路升級的迫切需求。ABI Research在7月份針對802.11n設備供應商進行調查,其中顯示Meru與Aruba因較早進入802.11n市場,在802.11n設備領域居於領先,同時也擁有較高的市佔率。 Motorola則緊隨其後,Cisco Networks僅居第6順位。ABI Research認為,企業需要一個具有強大QoS和漫遊功能的802.11n網路,系統能能支援各類企業應用與行動性需求,否則 802.11n的發展增加頻寬而已,明顯成長的商業模式有待浮現。


《圖十五 Trapeze Networks全球系統工程副總裁Michael Coci》
《圖十五 Trapeze Networks全球系統工程副總裁Michael Coci》

Cisco Networks順位較後,主要是802.11n架構大部分正處於鋪設階段,不過Cisco Networks網通設備具有可橫跨多種產業應用的優勢。目前Cisco旗下網通品牌Linksys除採用Broadcom晶片,也開始採用Ralink的802.11n晶片。此外Cisco的相容延伸集(Cisco Compatible Extensions)計畫第5版,可為各種廣泛的行動裝置提供企業級安全、管理與故障排除功能。此相容延伸集可按照802.11i標準所述保護資料訊框,也能利用驗證與加密層來保護管理,防止透過WLAN進行的網路阻絕服務攻擊。目前Atheros解決方案也與思科相容性延伸集認證合作,可支援重要的產業標準,包括WMM(Wi-Fi Multimedia)和透過Atheros JumpStart for Wireless產業標準化簡易網路設定軟體支援的Wi-Fi Protected Set-Up功能。


ABI Research指出,Motorola在802.11n設備最具創新,資料安全性也強,其802.11n獨立式天線設計方式及應用功能也帶動Motorola排名。此外Aerohive使用分散式AP和網格通訊架構,可用性高,正逐步緊追Trapeze。Colubris則是具有價格優勢,Extricom切換架構則可有效避免或降低干擾。


Trapeze的虛擬控制器叢集架構(virtual controller cluster architecture),能讓所有WLAN控制器採用共同組態,叢集以虛擬堆疊方式集體運作,自動在多對多的運作中恢復功能,可跨越控制器執行動態的AP負載作業。這就像伺服器虛擬技術 可提升企業伺服器應用的可靠性,虛擬控制器叢集技術的控制器虛擬化(Controller Virtualization)功能,可大幅提升整體WLAN的可靠性。


802.11n不斷突破

今年下半年到明年是802.11n標準的關鍵階段,預估IEEE將在明年3月確定最終現行的802.11n標準草案,並預計於12月公佈最終規格。雖然無線通訊相互干擾導致視訊品質不良的隱憂依舊存在,不過藉由技術降低干擾與功耗並非難事。晶片和網通設備廠商持續增強產品的互通性,有助於消弭消費者或企業應用的疑慮,這對802.11n產品的銷售前景無疑是正面的,在企業無線基地台、企業和數位家庭路由器和橋接器(AP)的推波助瀾下,802.11n網路應用會越來越成熟。若能配合WLAN既有成熟的標準架構、支援條件雄厚的產業鏈與既深又廣的市場普及優勢,對於802.11n的發展前景將有相當大的助益。


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