MIMO Spatial Stream Title

เคยฟังคนขายนำเสนอ AP มั้ยครับ ฟีเจอร์นึงที่จะถูกพูดถึงเสมอคือ รุ่นนี้มัน 2×2 (สองคูณสอง) รุ่นนั้น 3×3 ตัวนั้น 4×4 สงสัยไหมครับว่าไอ้เลขสองตัวนี่มันคืออะไร ยิ่งเยอะยิ่งดีหรือเปล่า และเราควรเลือกใช้ยังไง บทความนี้เราจะมาทำความรู้จักกับ MIMO และ Spatial Streams กัน

บทความนี้จัดอยู่ในซีรีย์ จัดการ Wi-Fi ยังไงให้ปัง ที่มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ความรู้พื้นฐาน หลักการทำงานของ Wi-Fi และฟิสิกส์ของ RF โดยไม่เจาะจง Vendor สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับอุปกรณ์ทุกรุ่นทุกยี่ห้อ หากสนใจฝากติดตามผ่านเพจในเฟสนะครับ

Radio Chains

เลขสองตัวนี่คือจำนวนเสาสัญญาณ (Antenna) ที่ผูกกันเป็นวงจร หรือมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า “Radio Chains” บางคนจะเรียก 2×2 ว่า AP 2 เสา ส่วน 3×3 ก็ AP 3 เสา 

เลขตัวแรกคือจำนวนเสาทั้งหมดที่สามารถใช้  “ส่ง” คลื่นสัญญาณ หรือ Transmitting (Tx) Antenna ส่วนเลขตัวหลังคือจำนวนเสาทั้งหมดที่ใช้ “รับ” สัญญาณ หรือ Receiving (Rx) Antenna ฉะนั้น AP 4×4 สามารถใช้เสาทั้ง 4 ต้นรับและส่งสัญญาณได้

มาดูตัวอย่างและลักษณะภายนอกของ AP กันครับ

ตัวแรกนี้แฟน Cisco น่าจะรู้จักกันดี Aironet 3802e เป็น AP 4×4 รองรับ external antenna ที่เห็นในรูปใช้เสา Omni 4 ต้น รุ่นนี้ กับ 2800 series อย่าง 2802i เป็นรุ่นยอดฮิต ใช้ในองค์กรใหญ่ๆเยอะมาก

Cisco 3202e
Source: Cisco

ดูลักษณะภายนอกก็เห็นว่ามีเสา 4 ต้น แต่…. จำนวนเสาไม่ได้บอกถึงคุณสมบัติและความสามารถของ AP ทั้งหมด เช่น AP ที่เห็นมี 4 เสา อาจจะไม่ใช่ 4×4 ก็ได้ มันอาจจะเป็น 3×4 หรือ 4×3

ถ้าจะเอาชัวร์ต้องอ่านจาก Spec Sheet เท่านั้นครับ

Source: Cisco

ตัวต่อมา UAP-AC-M จากค่าย Ubiquiti หนึ่งในผู้นำในตลาด SME เป็น Outdoor AP 2×2 802.11ac ใช้เสา 2 ต้น ความถึกทนอาจจะไม่ถึงระดับ Cisco Aruba หรือ Ruckus แต่คุณภาพระดับพรีเมี่ยม ดีกว่า consumer-grade AP บ้านทั่วไป

ดูใน Spec Sheet แล้ว AP ตัวนี้ 2×2 ครับ

Ubiquiti UAP-AC-M
Source: Ubiquiti

มาดู AP อีกกลุ่มที่ใช้เสาสัญญาณภายในกันบ้าง

ตัวอย่างข้างล่างเป็นใส้ในของ Ruckus R710 802.11ac Wave 2 AP อดีตเรือธงของแบรนด์หมาดำ เป็นรุ่น 4×4 มีเสาภายในอยู่สี่ต้น Ruckus จะโดดเด่นเรื่องเทคโนโลยีเสาสัญญาณเช่น BeamFlex+ และ PD-MRC เป็นเทคนิคการรวมสัญญาณโดยใช้เสาหลายต้น

Ruckus R710
Source: Ruckus Wireless / Commscope

ตอนนี้เราพอเข้าใจเรื่องเสาสัญญาณแล้ว เรามารู้จัก MIMO กันต่อครับ

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)

MIMO คือเทคโนโลยีที่ใช้เสามากกว่าหนึ่งต้นในการรับหรือส่งคลื่นสัญญาณพร้อมกันหลายชุดในคลื่นความถี่เดียวกัน โดยมีวัตถุประสงค์หลักคือเพิ่มความเร็วและแก้ปัญหาเรื่องความเสถียรของสัญญาณจาก multipath

AP ในยุคแรกๆใช้ 1×1 SISO (Single-Input Single-Output) หรือใช้เสาหนึ่งต้นส่ง หนึ่งต้นรับ ไม่มีอะไรซับซ้อน ปัญหาของ SISO คือเสาต้นเดียวอาจไม่สามารถรับสัญญาณได้ครบถ้วน 

ด้วยข้อจำกัดนี้ SISO ก็ได้รับการพัฒนาต่อยอดเป็น 1×2 SIMO (Single-Input Multiple-Output) หรือรับสัญญาณด้วยเสา 2 ต้น พอมีสองต้น เราสามารถเลือกใช้สัญญาณจากเสาต้นที่รับค่าได้ดีที่สุด เทคนิคนี้เราเรียกว่า Receive Diversity แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นเสาส่งมีแค่ตัวเดียว ตัวส่งเลยกลายเป็นข้อจำกัด

SIMO

11 กันยา 2009 (คุ้นๆมั้ย) IEEE รับรองมาตรฐาน 802.11n (Wi-Fi 4) เป็นจุดกำเนิดของเทคโนโลยี MIMO ใน Wi-Fi เราเริ่มเห็น AP MIMO เข้ามาในตลาด ตั้งแต่ 2×2 3×3 4×4 จนมาถึงวันนี้ มาตรฐาน 802.11ax (Wi-Fi 6) ที่รองรับถึง 8×8

MIMO
MIMO

MIMO แบ่งยิบย่อยได้อีกเป็น Single-User (SU-MIMO) และ Multi-User (MU-MIMO) สรุปง่ายๆคือ SU-MIMO คือ AP สามารถใช้หลายเสาแต่ส่งคลื่นสัญญาณให้อุปกรณ์ได้เพียงครั้งละหนึ่งตัว แต่ MU-MIMO แยกเสาส่งคลื่นสัญญาณให้อุปกรณ์ได้พร้อมกันมากกว่าหนึ่งตัว และมีแบ่งแยกอีกเป็น DL-MIMO กับ UL-MIMO อันนี้ลึกเกิน scope ของบทความนี้นะครับ แต่ใครสนใจลอง Google หาอ่านดูได้

Spatial Streams

เทคโนโลยีอีกตัวที่ขับเคลื่อน Wi-Fi ยุคใหม่และเพิ่มขีดจำกัดในการรับส่งข้อมูลให้เร็วขึ้นจาก 54Mbps เมื่อ 12 ปีที่แล้วเป็น 9.6Gbps คือ Spatial Division Multiplexing (SDM) และหนึ่งในผลลัพธ์ของ SDM ก็คือ Spatial Streams หรือ SS

Spatial Streams คือเทคนิคการแบ่งคลื่นสัญญาณเป็น Stream อิสระ และ “ส่ง” ผ่าน Radio Chain ให้ผู้รับ (Receiver) ทีละเครื่องหรือพร้อมกันหลายๆเครื่อง โดย stream จะถูกจำกัดอยู่ที่จำนวนเสาสัญญาณ (Transmitting Antennas) ดังนั้น AP 3×3 จะส่งได้ไม่เกิน 3SS และ AP 2×3 ส่งได้มากที่สุด 2SS วัตถุประสงค์หลักของ Spatial Streams คือการเพิ่ม Data Rate ในการรับส่งข้อมูล

เรามาดูตัวอย่างการทำงานของ MU-MIMO กับ Spatial Streams กัน 

ตัวอย่างนี้ AP ส่ง 3 streams ผ่าน 3 radio chains ให้อุปกรณ์ 3 ตัวพร้อมๆกัน

3 Spatial Streams Communication Example 1

ตัวอย่างที่สอง Notebook เครื่องนี้รองรับ 2×2 ฉะนั้น ตัวมันเองสามารถรับส่งคลื่นสัญญาณพร้อมกัน 2 Streams ช่วยเพิ่มความเร็ว (Data Rate) ได้เท่าตัว

3 Spatial Streams Communication Example 2

เราใช้ตาราง MCS Index ข้างล่างสรุป Data Rate หรือความเร็วในการรับส่งข้อมูลโดยเทียบจากปัจจัยต่างๆ เช่น Modulation และ SNR 

บทความแนะนำ: ไขรหัส MCS Index เบื้องหลังความเร็ว Wi-Fi

จากตัวอย่างข้างบน ถ้าเรา Config AP Channel Width ที่ 40MHz ความเร็วสูงสุดของอุปกรณ์ 1SS จะอยู่ที่ 200Mbps แต่ถ้าอุปกรณ์ตัวนั้นรองรับ 2SS มันเบิ้ลขึ้นมาเป็น 400Mbps 

ในกรณีของ Laptop ที่รองรับ 2×2 นั้น Data Rate สูงสุดที่จะได้อยู่ที่ 400Mbps ในขณะที่มือถือจะเชื่อมต่อได้ไม่เกิน 200Mbps เท่านั้น

ถ้าจะหาจำนวน Spatial Streams ของ AP ให้ดูใน Spec Sheet ซึ่งปกติจะระบุชัดเจน หรือดูตัวเลขตามหลัง Radio Chains เช่น 4×4:3 มี 3SS แต่อย่าลืมนะครับ จำนวน SS ถูกจำกัดด้วยจำนวนเสา ไม่มี AP 2×2 ที่มี 3SS

ป.ล. Spatial Streams ไม่จำเป็นต้องมีเท่าจำนวนเสา เช่น 3×3 อาจะมีแค่ 2SS ก็ได้ อย่าง Cisco Aironet 1830 ใช้ 3×3:2 ฉะนั้น Data Rate สูงสุดจะเท่ากับ AP 2×2:2 แต่ข้อดีคือเจ้า Aironet 1830 สามารถใช้เสาต้นที่เหลือทำ Transmitting Beamforming (TxBF) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ช่วยเพิ่ม SNR เพื่อให้ได้ MCS ที่สูงขึ้น และ Data Rate ที่เร็วขึ้น

Wi-Fi เป็นเทคโนโลยีที่ต้องมีทั้ง AP และ Client ตัว AP เราอาจจะดีเวอร์วัง แต่ถ้า Client เรามันใช้แค่ 1 หรือ 2SS คอขวดก็อยู่กับตัว Client

ความสามารถของตัวอุปกรณ์ (Client Capabilities) ควรเป็นปัจจัยหลักในการเลือกซื้อ AP เพราะอุปกรณ์ส่วนใหญ่ที่มีขายอยู่ในตลาดใช้ไม่เกิน 2 เสา เว้นแต่ตระกูล MacBook Pro ที่ใช้ 3 เสา ยิ่งถ้าพวกมือถือรุ่นประหยัดหรืออุปกรณ์ IoT ยังนิยมใช้แค่เสาเดียว ด้วยเหตุผลคือไม่จำเป็นต้องใช้ data rate ที่สูง และเป็นการควบคุมราคาและขนาดของอุปกรณ์

เสายิ่งเยอะ เครื่องยิ่งใหญ่ขึ้น กินแบตมากขึ้น และราคาแพงขึ้น ฉะนั้น บริษัทต่างๆจึงไม่นิยมผลิตอุปกรณ์เคลื่อนที่แบบไร้สายที่มากกว่า 2 เสา

ถ้าใครสงสัยว่ามือถือ หรือ อุปกรณ์ Wi-Fi ที่ใช้อยู่ มีกี่เสา ลองเข้าไปดู เว็ป https://clients.mikealbano.com/ พี่แกทำ database สรุป Client Capabilities ของอุปกรณ์ต่างๆ ทั้ง iPad iPhone Samsung และอุปกรณ์อื่นๆเป็นร้อยรายการ Database นี้รวบรวมมาจากกลุ่มผู้ใช้ WLANPi โดยหลักการง่ายๆคือทำตัวเองเป็น AP Hotspot ให้ Client เกาะ จากนั้นดึงจำนวน Spatial Streams จาก Association Request Frame ของอุปกรณ์ตัวนั้น เราก็ได้จำนวนเสาแล้วครับ

Wireshark Association Request Frame
Wireshark Association Request Frame

สรุปคือการเลือกใช้ AP ไม่ได้มีกฎตายตัว แต่ก็ขึ้นอยู่กับความเหมาะสม อย่างที่เกริ่นไป เราอาจจะยอมทุ่มทุนซื้อ AP เรือธง 8×8 แต่เราใช้กับอุปกรณ์ IoT ก็เสียของ แต่ถ้าเราจะติดตั้ง Wi-Fi ในหอประชุมใหญ่ ที่อาจจะมี Client หลายร้อยคนใช้งานพร้อมๆกัน AP 8 เสาตัวนี้อาจจะตอบโจทย์ แต่โดยส่วนตัวแล้วคงเลือกใช้ 4×4 2 ตัวแทน ด้วยเหตุผลที่ว่าเราแยกเป็น 2 Channel ได้ลดปัญหาเรื่อง channel utilization เพราะอุปกรณ์เป็นร้อยๆตัวแย่งกันใช้ช่องสัญญาณเดียวกัน AP ยี่ห้อไหน มีกี่เสาก็ไม่รอด ใครสงสัยว่าทำไมแนะนำอ่านบทความ Wi-Fi คืออะไร กับ Channel Interference ศัตรูตัวฉกาจของ Wi-Fi นะครับ

Tags:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *