網路架構大概論7－802.11ax/Wi-Fi 6 規格看過來，不只高速傳輸，更注重有效率使用
802.11ax 傳輸速度將比 802.11ac 高出許多，802.11ac 於 80MHz、單空間流的傳輸速度達 433Mbps，80+80MHz 和 160MHz 翻倍，802.11ax 則於 80MHz、單空間流即可達 600Mbps。但相較於傳統上的速度提升，802.11ax 更把改進目標放在高密度佈建、多使用者、戶外環境下的使用體驗。
前情提要：
- 網路架構大概論1－ARPANet歷史與MAC、IP、DNS 概念篇
- 網路架構大概論2－網路模型、封包架構、解析OSI 7層作用
- 網路架構大概論3－IP概念、分級與子網路遮罩
- 網路架構大概論4－網路底層的訊框傳送法則
- 網路架構大概論5－802.11 與 802.11a
- 網路架構大概論6－看懂無線網路 802.11 b/g/n/ac 演進歷史
802.11ax 技術、Wi-Fi 6 宣傳
在正式進入 802.11ax 核心技術之前，先來談談 Wi-Fi 聯盟近期宣布的大事，無線網路規格宣傳術語已不直接使用 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers、電機電子工程師學會）所制定的標準來稱呼，如 802.11n、802.11ac 等，而是改弦易轍使用 Wi-Fi 加上「無線網路世代」號碼，如 802.11n 和 802.11ac 為第四與第五世代無線網路標準，改稱 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 5，而本文要談的 802.11ax 則是第六世代，稱之為 Wi-Fi 6。
雖然說無線網路標準 802.11 系列，大致上能夠以英文的前後順序推導出技術新舊，如 n 在 b 的排序後方，因此 802.11n 相較 802.11g 更新也更快，但 802.11 內部並不只有你我孰悉的 802.11 a/b/g/n/ac，尚有 802.11k 無線頻譜管理、802.11r 快速漫遊等技術，致使 802.11 a/b/g/n/ac 英文後綴不連續。
負責宣傳無線網路與產品認證的 Wi-Fi 聯盟，在 2018 年 10 月正式宣布新的命名規範，802.11n 對應 Wi-Fi 4、802.11ac 對應 Wi-Fi 5、802.11ax 對應 Wi-Fi 6，使用數字世代更容易讓非專業人員理解無線網路規格對應關係。但是這並不代表 IEEE 制定標準程序有所改變，依舊會以 802.11 加上英文作為無線網路規範的名稱，只是在 Wi-Fi 聯盟的市場宣傳有所變化。
▲近期推出的 802.11ax 產品可能還無法見到 Wi-Fi 6 標誌，但未來會逐漸取代現有設計。
2.4GHz 和 5GHz 同步支援
與 802.11ac 聚焦於 5GHz 不同，802.11ax 制定時就納入 2.4GHz 和 5GHz 的 ISM 頻段，讓 2.4GHz 頻段 802.11n 40MHz、單空間流 150Mbps 速度往上提升；但 2.4GHz 的頻譜資源並不如 5GHz 豐富，限制最多僅能使用 40MHz，此時 802.11ax 單空間流僅有 287Mbps 傳輸速度，最小 20MHz 則為 143Mbps（均為實體層連接速度），與 802.11n 相比則是接近 1 倍增長幅度。
雖然 2.4GHz 頻譜資源不足，卻擁有傳輸距離較長的優勢；一般來說，5GHz 的傳輸距離約為 2.4GHz 一半多一些。如果未來 1～6GHz 的頻段開放使用（依各地區和國家而定），802.11ax 也能夠使用該頻段。此外，舊有 802.11 無線網路標準產品也可以解讀 802.11ax 的訊框表頭，以便和舊有標準相容不會相互打架（別忘了無線網路採用 CSMA/CA，傳輸前需探測空中介面是否有其它裝置正在使用中）。
近期越來越多 802.11ac 設備於 5GHz 導入使用 DFS 頻段，足以達成 80MHz + 80MHz 或是連續 160MHz，提供更高的頻寬或是服務更多的設備，但 802.11ax 已經虎視眈眈，上下打量著 6GHz 頻段。去年年底美國 FCC 已開放 5.925GHz～7.125GHz 頻段供免許執照設備使用，頻寬約有 1.2GHz。不過要運作在這個頻段還有些技術問題需要考量，譬如無線裝置想要連接 AP 時，1.2GHz 的掃瞄範圍實在是過於廣泛，花時間同時浪費電，目前提出的可行方案在 2.4GHz 或是 5GHz 埋入信標（beacon）或是探針（probe），802.11ax 之後也會為 6GHz 修改相關規範，預計使用 5.935GHz～7.125GHz。
▲轉進 6GHz 頻段之後，802.11ax 可以獲得更多的頻譜資源，但 6GHz 並非 ISM 頻段，美國以外地區是否能夠受惠尚屬未知數。
支援上傳 MU-MIMO
空間流數量部分 802.11ax 並未變動，與 802.11ac 相同最大為 8 組，但是 802.11ax 2 個裝置之間即可使用 8 個空間流（802.11ac 則是限制為 4 個空間流），80+80MHz/160MHz 最高速率為 9.6Gbps，同時也支援 MU-MIMO 功能。802.11ac 的 MU-MIMO 僅存在 Wave 2 功能產品之中，目前市面上還有不少的 Wave 1 產品不支援此項功能，而 802.11ax 則是必備功能。
另外，802.11ac 的 MU-MIMO 僅存在於下行∕下載方向（AP 往終端裝置送資料這一段），802.11ax 則包含了上行∕上傳方向（終端裝置往 AP 送資料）。MU-MIMO 同時服務終端裝置數量也從 802.11ac 的 4 個，提升至 802.11ax 的 8 個。
▲802.11ax 需要每個連線裝置回報矩陣給 AP，AP 再告知每個連線裝置該使用多少的上傳鏈路資源，再以觸發訊框告知各裝置同步上傳。
（下一頁：調變技術變動）
1024 QAM
802.11ax 導入1024 QAM 調變，這部分已經有部分的廠商先行在 802.11ac 晶片當中加入，譬如 Broadcom 支援 NitroQAM 的 BCM4366。802.11ax MCS 部分則是導入 10 與 11，各自分別代表 1024QAM 調變、編碼速率 3/4，以及 1024QAM 調變、編碼速率 5/6。
▲1024QAM 提升傳輸速度的同時，也對訊號品質有更高的要求，SNR 約需提升 6dB。
▲802.11ax 單空間流規格速度比較表，雙空間流乘上 2 倍、3 空間流乘上 3 倍……以此類推。
▲Cisco IEEE 802.11ax: The SixthGeneration of Wi-Fi 技術白皮書裡嘗試使用 Ekahau 軟體，推算 1024QAM（MCS 10～11）與 256QAM（MCS 8～9）的使用距離，圖中橘色小圓圈即為 AP 存取點。
OFDMA
OFDMA（正交分頻多工存取）技術與先前 802.11a 導入的 OFDM（正交分頻多工）背後採行原理相同，均是利用多個子載波相互正交，減少傳輸時的干擾。OFDMA 多出來的 A 為 Access，讓這些子載波可以分為多組，各組服務 1 個終端裝置，也就是將傳輸時占用的 20/40/80/80+80/160MHz，再往下拆分數個 MHz 頻段同時分別服務不同的終端裝置，此技術已應用於目前的 LTE 行動網路之中。
▲OFDMA 相較 OFDM 新增分頻多工（不同顏色表示不同 STA 終端裝置的傳輸數據）。
另外還有個一體兩面的改進，802.11ax 快速傅立葉轉換（FFT）數量從 802.11a/g/n/ac 的 20MHz/64 個（802.11a/g：4 個pilot、48 個資料、1 個中央 DC、前 6 後 5 保護； 802.11n/ac：4 個pilot、52 個資料、1 個中央 DC、前 4 後 3 保護），變成 4 倍 256 個（數量等同頻寬翻倍，如 40MHz/512 個、80MHz/1024 個……等），也因此縮減了子載波之間的間隔距離，從 312.5kHz 變為 78.125kHz。（子載波越多、可乘載資料量越多，傳輸時卻也越容易相互干擾）
▲802.11ax 的子載波間距縮小 4 倍，因而在使用同樣的頻寬之下，子載波數量提升 4 倍。
快速傅立葉轉換數量與子載波增加，有助於 OFDMA 多裝置多工效果，每個裝置最少可分配到的子載波數量為 26 個，20MHz 最多可分給 9 個終端裝置同時使用。802.11ax 將可分予單一裝置使用的子載波數量稱之為 1 個資源單位 Resource Unit，尚有 52、106、242、484、996、1992 個子載波等組合方式，其中 MU-MIMO 最小要求 106 個子載波、1024QAM 最小要求 242 個子載波。
▲802.11ax 新增 RU 資源單位概念，20MHz 最多可容量 9 個使用者，106 個子載波為能夠使用 MU-MIMO 的最小單位，242 個子載波則為使用 1024QAM 的最小 RU 單位。（深紅色表示空載波不使用，點圖放大）
▲各頻譜頻寬與可容納 RU 類型數量對照表。
與傳統分時多工相比，分頻多工也有降低傳輸延遲的效果。配合上傳 MU-MIMO 一同使用時，AP 可發出 1 個觸發框架，標示空間流數量、RU 大小、功率控制、傳輸起始與結束等資訊，接著讓各個終端裝置同時進行上傳作業。至於終端連線裝置需要多少的 RU 資源，可以透過 Operating Mode Indication，向 AP 告知下載與上傳欲使用的空間流數量或是頻寬，多空間流與寬頻可以獲得更高的傳輸速率，減少空間流窄頻則能夠減少運作時所消耗的能量，進而提升終端裝置電池續航力。
符元、保護區間、循環式前綴拉長
為了因應戶外距離拉長，增加各方傳輸訊號延遲，造成隱藏節點空中交通打結的現象，802.11ac 將保護區間拉長為 2 倍，由 400/800ns 變更為 800/1600ns，還額外提供 4 倍 3200ns 專攻戶外或是大範圍密集佈建區域，用來抵禦多重路徑造成符元間干擾（Inter-Symbol Interference、ISI）。
不過若是單單拉長保護區間，那麼單位時間內可供傳輸的符元持續時間相對比例就會下降，因此 802.11ax 的符元持續時間除了過去 3200ns，新增 6400ns、12800ns 兩種。用來抵禦通道間干擾（ICI、Inter-Channel Interference）的循環式前綴（Cyclic Prefix）同樣提高了 4 倍，只不過太高的 Cyclic Prefix 會導致淨傳輸量下滑，因此在室內使用時會選擇使用較低的 Cyclic Prefix。
▲為抵禦訊號傳輸時的多重路徑導致符元間干擾，因而導入保護區間（Guard Interval），而又為了避免空白保護區間破壞正交性導致通道間干擾，於保護區間填入符元尾段資料。
（下一頁：效率、效率、還是效率）
動態分段
因應網路封包結構，都會預先將資料固定切成一樣的大小往外傳輸（除了資料不足以填滿分段長度的最後 1 段）。導入 OFDMA 之後，因為無法預期會分到幾個子載波數量/RU，固定的分段長度容易造成問題，太長傳輸不完、太短則會造成諸如錯誤檢查碼等負擔太高，淨傳輸資料量下降。在此導入動態分段功能，可以依照分配到的子載波數量/RU 自行調整分段長度，以求盡量剛剛好填入子載波數量/RU。
空間重覆使用/色碼
無線網路採用 CSMA/CA 機制，傳輸之前會先行監聽通道是否被占用（意即其它裝置正在進行傳輸作業），沒有被占用則開始傳輸，若被占用則等待一段隨機時間後，再次進行監聽作業。但是在高密度佈建、多使用者環境中，這種機制非常容易造成傳輸速度下降、延遲過高等問題。
802.11ax 將導入色碼機制，一群相互關聯的 AP 和裝置們（1 組 BSS、Basic Service Set）使用相同的色碼，若此時監聽到使用其它色碼的傳輸作業，則無視；以白話文簡單描述，就是 CSMA/CA 機制僅作用於同一 BSS 內部。聰明的你應該也想到，如此將造成傳輸環境更為惡化，可能影響鄰近其它組 BSS 的運作，因此此一技術也納入功率控制，避免各組 BSS 之間，以及對舊式 802.11 規格產品的影響。
▲傳統無線網路採用 CSMA/CA 方式避免訊框碰撞，因此當監聽到 149 頻道正在進行傳輸時，就無法使用此頻道；導入 BSS 色碼之後，即使紅色 149 存取點監聽到來自黃、綠、紫存取點的訊號，則因為色碼比對後不相同，因此視 149 頻道無人使用進而傳輸資料。
省電 TWT
為避免無線網路傳輸時的通道監聽與競爭，802.11ax 加入 TWT（Target Wake Time）機制，讓通道資源在一定時間之內專屬於 1 個或是 1 組上網裝置，其餘上網裝置則進入睡眠狀態省電，等到屬於自己的傳輸時段到來，無線網路才醒來並傳輸資料。
▲各個上網裝置可以和 AP 協調 TWT 時間，無線網路卡唯有在自己的 TWT 時間才醒來並傳輸資料，其餘時間就休息省電。
除了讓各個上網裝置依據自身需求，向提供服務的 AP 協調 TWT 時間之外，AP 自身也可以預先定義 TWT 時間，再將相關資訊廣播給上網裝置，達到頻寬管理的附加目的。
高速更注重頻譜效率
回到開文敘述「高效率無線」網路，讀者可以反思上述 802.11ax 標準相較 802.11ac 以及前輩們，有多少規格演進著重在傳輸速率的提升？又有多少著墨在提升通道媒體使用效率？就不難發現 802.11ax 雖然走在更快速的道路上，但這條高速公路更注重彈性高效率的使用。譬如 Multi-TID AMPDU（Multi-Traffic Identifier Aggregated MAC Protocol Data Unit）讓多個不同流量辨識碼或是 QoS 的資料，能夠合併在單一傳輸作業當中完成，802.11ac 與之前的無線網路標準均不支援此種作法。
第一代 802.11ax 無線網路產品可以購買嗎？筆者認為需要分成幾點考量：首先就是 802.11ax 同時應用在 2.4GHz 和 5GHz 等各國免費 ISM 頻段，特別是 2.4GHz 前次標準 802.11n 最高速僅有 600Mbps（150Mbps x 4 空間流），轉換成 802.11ax 最高 8 空間流接近 2.3Gbps，行動產品經常使用的雙天線∕雙空間流則從 802.11n 300Mbps 提升至 802.11ax 574Mbps，若是環境關係導致 5GHz 訊號貧弱，而大幅仰賴 2.4GHz 無線網路，802.11ax 可以帶來不錯的效能增長。（註：首波無線存取點產品多為 4 天線∕4 空間流規格）
純粹追求速度的使用者可能要小小失望，因為依照目前眾廠商推出的首波 802.11ax 產品規格，Asus ROG Rapture GT-AX11000 於 LAN 加裝 1 個 2.5Gbps RJ45 網路孔，D-Link DIR-X6060 和 DIR-X9000 則於 WAN 導入 2.5Gbps，不少產品還停留在 1Gbps，除非使用者都是利用空中介面無線網路相互傳輸資料，否則 1Gbps 有線網路並無法餵飽 802.11ax 無線網路；事實上，筆者早在 802.11ac Wave 1 世代產品即可測出灌爆 1 Gbps 有線網路的上限 945Mbps 左右。（註：802.3ad Link Aggregation 或許能夠幫點小忙，但主要瓶頸在於交換器晶片和無線網路晶片之間的頻寬，此外支援 Link Aggregation 交換器不普及也是個問題。）
若是家中有許多裝置需要同時上網，爸爸看 Netflix、媽媽看愛奇藝、哥哥玩遊戲、妹妹直播當網紅，802.11ax 導入的上傳 MU-MIMO、OFDMA 等機制，能夠更好的解決多個使用者同時傳輸的情況，當然值得玩家加入 802.11ax 的行列，但也要無線路由器、無線存取點與連網裝置均支援 802.11ax 才行。或許等到家中筆電、手機規格均升級成 802.11ax，再順便升級家中無線路由器更為划算。
▲802.11ax/Wi-Fi 6 功能與優點對應表，可以發現提升傳輸速度僅佔很小的一環，更重要的是解決無線網路規格傳輸的根本問題。