隨著802.11ac Wave 2基地台的問世，將Wi-Fi速率帶入了Gigabit的新紀元。然而，這樣的速率是靠許多複雜的RF（無線射頻）新技術達成，例如波束成形（TxBF）與多用戶MIMO（MU-MIMO）技術，既有的Wi-Fi基地台大多不具備這些技術。
近日MU-MIMO用戶端正開始火速發展。在Wave 2標準下，以波束成形技術為基礎的多用戶MIMO技術可提升網路容量，並強化Wi-Fi訊號。由於Wi-Fi用戶端數量呈爆發性成長，並迅速搭載802.11ac標準的新功能，因此這是非常重要的優勢。
晶片型的傳輸波束成形技術
雖然波束成形技術是802.11ac的選用功能，但卻是讓MU-MIMO有效運作的基本要件，因此廠商必須在Wave 2產品中部署此技術。
透過TxBF技術，11ac基地台會發送測試訊號給附近的用戶端裝置，並要求每個用戶端回報聽到的訊息。接著，用戶端會使用特定方法回覆聽到的訊號清晰度。AP會根據此回應判定是否或如何利用多組天線來控制Wi-Fi訊號的傳輸（透過改變相位時間）。
這種情況好比丟石頭到池塘中。石頭碰到水面時，水波就會從石頭四面八方散發開來，水波匯聚處的能量比較強，波紋也較大（即本文中的波束）。在不同時間點將石頭丟到池塘中，強能量的水波位置也會不同。在Wi-Fi傳輸中，多組天線發出訊號的時間都是由Wi-Fi晶片的複雜軟體所控制。
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| ▲波束成形技術（TxBF）使用多重訊號的相位來產生出虛擬波束，提供用戶端更強、更清晰的訊號。 |
此控制流程包含兩個重點：改善接收用戶端的訊號品質，讓接收到的訊號更清晰，以及降低傳輸範圍內其他用戶端接收到該訊息的強度，以減少雜訊與干擾。
TxBF會控制每組天線的訊號相位，讓所有訊號在用戶端產生加總效益（或抵消），進而提高訊噪比（SNR），並讓該用戶端獲得更強、更清晰的訊號。
為了讓用戶端聽到屬於自己的訊號，TxBF也採取降噪耳機所用的方式，讓其他用戶端聽不到別人的訊號，如此就能降低射頻雜訊與干擾，讓每個用戶端只聽到自己的訊號。這樣也會提高SNR。
MIMO的另一個主角
MIMO是多重輸入與輸出的簡稱，首度出現於802.1n標準。此技術是在射頻鏈路兩端增加數組傳輸與接收天線。晶片會利用兩個或多個空間串流傳送資訊，每個串流都透過單獨天線傳送。
多個空間串流可攜帶更多資料，而獨立的天線組可產生空間多樣性，以改變每個訊號的傳輸時間與區分用的特性，讓資料更容易被取出。如果用戶端能更輕鬆地降低訊號之間的關聯性，就能取出更多資料，而且傳輸端的訊號就能放入更多資料。這是讓MIMO發揮預期效益的重要因素。
不過，目前Wi-Fi基地台一次只能與一個用戶端溝通，而且必須輪流進行，並利用時間切割（Time-slicing）演算法，讓該基地台的所有用戶端享有公平的存取。如果AP配備四個傳輸天線、四個接收天線與四個空間串流（4x4:4），就能同時將多個分離的空間串流傳送給不同的用戶端。
MU-MIMO與RF效率
MU-MIMO是多用戶MIMO的意思，是Wave 2必備的新功能。此技術也是在11ac射頻晶片上執行的硬體功能，而且基地台和用戶端都必須支援此功能。這個概念很簡單：透過MU-MIMO技術，4x4:4基地台可以同時與三或四個MU-MIMO用戶端通訊。所以，透過Wave 2，單串流用戶端的WLAN容量可以增加一倍。
有了MU-MIMO功能，基地台就能同步處理更多用戶端，例如一次處理三台。此外，11ac能提供更高的資料傳輸率，讓用戶端更快釋出傳輸通道，將傳輸空間讓給其他用戶端。
即使沒有MU-MIMO用戶端，使用Wave 2 WLAN基地台也是有好處的。將負擔過重的11n AP換成Wave 2 11ac AP，不僅能提高網路容量與服務更多用戶端，還能增加11n用戶端的傳輸率（和使用Wave 1基地台一樣）。隨著市面上愈來愈多Wave 2用戶端，MU-MIMO的未來指日可待。
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| ▲理想狀況下，TxBF可讓訊號增益達到3dB或4dB。若搭配適應性或智慧天線技術，增益就能突破這個限制，讓用戶端獲得更好的Wi-Fi傳輸品質。 |
MU-MIMO會對基地台到用戶端之間的每個空間串流使用傳輸波束成形技術，一方面讓目標用戶端獲得最佳的訊號品質，一方面降低鄰近用戶端產生的雜訊。
MIMO使用多組分離的天線，而且每個天線發送的訊號都在不同路徑上傳輸。在前往接收端天線的途中，空間串流會在空中混合，這也是為什麼接收端必須將這些空間串流分離，又稱為去關聯性（Decorelation）。要讓MU-MIMO達到最大效能，關鍵就在於使用可將訊號集中或導引至各個用戶端或用戶端群組的天線，以確保用戶端聽到不同的訊號。
除了天線位置的獨立性，以及藉由晶片上的波束成形技術達到最佳效能，還有其他方法可以增加差異化，進而提高或維持MU-MIMO傳輸率嗎？有，就是使用智慧天線。
提高MU-MIMO附加價值的智慧天線
BeamFlex是Ruckus的適應性指向型天線技術，使用電子方式改變天線架構，讓實體天線不斷改變模式。
適應性天線技術能提供三大效益，一是將能量集中指向接收用戶端的天線增益，一是降低干擾。不過，對MU-MIMO最重要的效益是控制多路徑傳輸。
波束成形技術藉由控制訊號發送時間來改變訊號相位，BeamFlex則是控制傳送波束成形訊號的天線模式。在基地台內建精密且已獲專利的最佳路徑選擇演算法，AP就會自動嘗試各種天線組合，以產生可達到最佳資料傳輸率的強訊號，並演算出數千種可能的組合。Beamflex會對每個用戶端或用戶端群組的空間串流使用專用、最佳的天線模式。
每個天線都有自己的方向模式，意味著可以將更多訊號傳到目標用戶端，並減少傳送到鄰近用戶端的訊號。在不同情況下，BeamFlex最高可以提升6dB的信噪比，並排除15dB的干擾。這表示資料傳輸率更高、傳輸距離更長，而且資料傳輸率更不容易隨距離增加而衰減。
透過多用戶MIMO網路，BeamFlex可為每個天線與MU-MIMO用戶端群組產生專屬的RF模式，讓用戶端更容易分辨Wi-Fi訊號，進而提高MU-MIMO的作業效率。這就是所謂的智慧型Wi-Fi。
（本文作者現任Ruckus Wireless總經理）