ไขรหัส MCS Index เบื้องหลังความเร็ว Wi-Fi
เคยสงสัยไหมครับ ว่ามีปัจจัยอะไรบ้างเป็นตัวกำหนดความเร็วของ Wi-Fi และ MCS Index คืออะไร บทความนี้มีคำตอบครับ
ปกติเราวัดความเร็ว Wi-Fi กันยังไงครับ
ส่วนใหญ่เราจะใช้ Speedtest หรือ Fast.com เช็คว่าเน็ตเราเร็วหรือช้า แต่ในทางเทคนิคแล้วหน่วยวัด “ความเร็ว” ของ Wi-Fi มีใช้อยู่ 2 ตัวคือ Data Rate (หรือ Connection Rate หรือ Signal Rate แล้วแต่คนจะเรียก) ใช้วัดความเร็วในการเชื่อมต่อระหว่าง AP กับ STA (Client) และอีกตัวนึงคือ Throughput หรือความเร็วในการส่ง Data ซึ่งโดยปกติแล้ว Ratio ของ Throughput จะอยู่ที่ประมาณ 50% ของ Data Rate
ป.ล. ในบทความนี้ คำว่า “ความเร็ว” ผมหมายถึง Data Rate เท่านั้นนะครับ ไม่ใช่ Throughput ฉะนั้นเราจะไม่ดูความเร็วในการรับส่งข้อมูลที่อาจถูกลดทอนจาก interference (High Retry Rate) หรือจาก shared medium (จำนวนผู้ใช้) หรือปัจจัยภายนอกอื่นๆ
เกริ่นมาเยอะแล้ว เรามาเข้าเรื่องกันเลยครับ
ปัจจัยที่ส่งผลต่อ Data Rate
- Modulation
- Spatial Streams
- Coding
- Channel Width
- Guard Interval
Modulation
Modulation คือเทคนิคในการแปลงสัญญาณวิทยุ (RF) ให้เป็น digital signal ซึ่ง modulation จะมีหลายระดับ เริ่มจาก BPSK ที่ส่งได้ทีละ 1 bit จากนั้นค่อยๆพัฒนามาเป็น QPSK 2 bits, 16-QAM 4 bits, 64-QAM 6 bits, 256-QAM 8 bits จนถึงมาตรฐาน่าสุด Wi-Fi 6 ล่าสุด 1024-QAM ที่รองรับถึง 10 bits
Spatial Streams
Spatial Streams คือจำนวนเสาสัญญาณ (Antennas) หลักการคือ AP ที่สามารถส่งสัญญาณพร้อมกันได้ 3 เสา (streams) จะเร็วกว่า AP ที่ส่งได้เสาเดียว 3 เท่า ผมเคยเขียนบทความเรื่อง MIMO กับ Spatial Streams ไว้ค่อนข้างละเอียด ใครสนใจเข้าไปอ่านได้นะครับ
Coding Rate
Coding Rate หรือ Coding คืออัตราส่วนของ Data ต่อ error correction เช่น Coding Rate 2/3 (66.67%) จะส่ง data ได้น้อยกว่า Coding 3/4 (75%) แต่ข้อดีของ coding rate ที่ต่ำกว่าคือ จะมีความเสถียรสูงกว่า
Channel Width
Channel Width คือความกว้างของช่องสัญญาณ ซึ่งจะมีให้เลือกใช้อยู่ที่ 20MHz, 40MHz, 80MHz, หรือ 160MHz ช่องสัญญาณยิ่งกว้าง ความเร็วก็ยิ่งสูง
Wi-Fi ที่ใช้เทคโนโลยี OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) เช่น 802.11n หรือ 802.11ac จะแบ่งช่องสัญญาณ 20MHz เป็น 64 Subcarriers หรือช่องสัญญาณย่อยขนาด 312.5KHz แต่จะมี Subcarriers ที่รองรับ Data อยู่แค่ 52 ตัว แต่พอเราทำ channel bonding เช่น 40MHz เราสามารถใช้ Data Subcarrier ได้มากขึ้นถึง 108 ตัว
Guard Interval
Guard Interval (GI) คือช่องเวลาว่างระหว่างการส่งสัญญาณที่เว้นไว้เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนภายใน หรือ Inter-Symbol Interference (ISI) ที่เกิดจากการสะท้อนของสัญญาณ ตัวอย่างเช่น A ส่ง Frame 1 ไปหา B ถ้า A ปุ๊บส่ง Frame 2 เลย สัญญาณสะท้อนของ Frame 1 อาจจะไปกวนกับสัญญาณของ Frame 2 ได้ ฉะนั้น Wi-Fi จึงใช้ GI เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณจะไม่กวนกัน
ใน Wi-Fi ที่ใช้ OFDM จะใช้ GI อยู่สองตัวคือ GI มาตรฐาน 0.8µs กับ Short Guard Interval (SGI) 0.4µs ลดเวลารอครึ่งนึง ทำให้ส่งข้อมูลได้มากขึ้นในระยะเวลาที่เท่ากัน
โอเค ตอนนี้เรามีข้อมูลครบ เอามาเข้าสูตรคำนวน Data Rate ได้ตามนี้ครับ
แต่ก่อนที่เราจะคำนวนความเร็ว เราต้องอ้างอิงข้อมูลเพิ่มเติมจากตารางข้างล่างนี้ด้วย
เอ้า ยังไม่เห็นภาพใช่มั้ย งั้นเรามาดูตัวอย่างกัน
ที่บ้านผมใช้ AP Dual-Band (802.11n/ac) 3×3 แยก SSID ตามความถี่ ที่ 2.4GHz ผมใช้ช่องสัญญาณ 20MHz ส่วน 5GHz ที่ 80MHz และทั้งคู่ใช้ SGI
คำถาม : ถ้า Laptop ผมใช้ NIC 2 เสา Data Rate สูงสุดของแต่ละย่านความถี่อยู่ที่เท่าไหร่
ติ๊กตอกๆ
หมดเวลา 🙂
โอเค มาดูเฉลยกันครับ เริ่มจาก 5GHz กันก่อน SSID นี้ใช้มาตรฐาน 802.11ac หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า VHT (Very High Throughput) จากนั้นเราดูตารางข้างบน 802.11ac รองรับ Modulation ได้สูงสุด 256-QAM หรือที่ 8 bits
ในความกว้างของช่องสัญญาณที่ 80MHz ผมมี 234 Subcarriers ใช้ coding rate สูงสุด 5/6 (0.833) ส่วน SGI อยู่ที่ 0.4µs
ตัวแปรสุดท้ายคือจำนวนเสา อันนี้ต้องระวังนิดนึงเพราะ ถึงแม้ AP จะรองรับ 3×3 แต่ Client ผมมีแค่ 2 เสา ดังนั้นความเร็วสูงสุดที่จะรับส่งข้อมูลได้อยู่ที่ 2 Spatial Streams
พอเราได้ตัวแปรครบทุกตัว เราตั้งสมการตามนี้เลยครับ
ไม่ยากใช่มั้ยครับ อย่าลืมว่านี่เป็น Data Rate ไม่ใช่ Throughput ถ้าเราลองเทสกับ iPerf เราน่าจะถ่ายโอนข้อมูลได้ในความเร็วประมาณ 50% ของ Data Rate หรือ 400Mbps ถึง 500Mbps
เรามาดู Data Rate ที่ 2.4GHz กันบ้าง ตัวนี้ใช้มาตรฐาน 802.11n (HT) ความกว้างช่องสัญญาณอยู่ที่ 20MHz พอเอาตัวเลขมาใส่สูตรก็จะได้ตามนี้
ตอนนี้เรารู้ที่มาที่ไปของ Data Rate กันแล้ว เราสามารถเอาตัวแปรทั้งหมดมายำรวมกัน เราจะได้ตารางสรุป Data Rate ทั้งหมด ตารางนี้เรียกว่า Modulation Coding Scheme Index หรือ สั้นๆว่า MCS Index ครับ
MCS Index
อย่างแรกที่สังเกตได้คือ เลข Index ยิ่งสูง Data Rate ก็ยิ่งเร็ว
ลองดู MCS ของ 802.11n (HT) สีส้มในตารางข้างบนเริ่มจาก 0 ถึง 23 แต่จริงๆแล้ว Wi-Fi มาตรฐานนี้รองรับสูงสุด 4 Spatial Streams แต่ในตารางนี้ใส่มาแค่ 3 ฉะนั้น MAX MCS ของ 802.11n คือ 31 หรือที่ความเร็ว 600Mbps
ส่วน 802.11ac เปลี่ยนวิธีการนับ Index ใหม่โดยการเรียง Data Rate ต่อ 1 Spatial Stream จาก 0 ถึง 9 เท่านั้น วิธีนี้มีข้อดีตรงที่เราแค่รู้ว่า MCS 9 คือ Max Data Rate และถ้า AP เรามีหลายเสา ก็แค่เอา Data Rate ของ MCS นั้น คูณด้วยจำนวนเสา เช่น MCS 4 @40MHz = 90 Mbps x 3 Spatial Streams = 270Mbps
สรุปตารางนี้ง่ายๆเลยคือเราควร Design Wi-Fi Network เพื่อให้ Client ได้ MCS ที่สูงกว่า 7 ถ้าได้ 9 นี่สุดยอดครับ
ถ้าใครอยากเช็ค Data Rate ของเครื่องตัวเอง ถ้าใช้ Windows สามารถเช็คได้ง่ายๆ โดยใช้ Command นี้ครับ:
netsh wlan show interface
ส่วนใครใช้ MAC นี่ยิ่งง่ายเลย ให้กด Option ค้างไว้แล้ว Click ที่สัญลักษณ์ Wi-Fi ได้ข้อมูลที่ลึกกว่า Windows อีก เช่น RSSI, Noise รวมถึงบอก MCS Index มาให้เลย
อยากได้ MCS 9 มันยากแค่ไหน
การที่ Connect ได้ที่ MCS 9 อาจจะไม่ยาก แต่การคงความเร็วที่ MCS 9 ตลอดเป็นอะไรที่หินมากกก เว้นแต่ตัว AP ตั้งอยู่ข้างๆเรา ในระยะไม่เกิน 2-3 เมตร
ประเด็นสำคัญคือ เราไม่สามารถกำหนด MCS เองได้ แต่ Client จะเลือกให้เราเอง ตัวแปรสำคัญที่กำหนดค่า MCS จะสูงหรือต่ำคือ SNR ของ Client ผมเคยเขียนบทความ Understanding Signal Strength ไว้ หากใครอยากได้ข้อมูลเพิ่มเติมเข้าไปอ่านได้ครับ
ถ้าอยากรู้ต้องมี SNR เท่าไหร่ ถึงจะได้ MCS 9 ให้ดูตารางข้างล่างนี้ครับ
ใน 802.11ac Client ต้องได้ SNR อย่างน้อยที่สุด 31 สำหรับช่องสัญญาณที่กว้าง 20MHz ถึงจะได้ MCS 9 แต่พอระยะห่างระหว่างอุปกรณ์เพิ่มมากขึ้น RSSI เริ่มตก SNR ก็อ่อนตาม Client จึงไม่สามารถคุยกับ AP ในความเร็วสูงสุดได้ ประมาณพูดกันเร็วมาก แต่อยู่ไกลกัน ฟังกันไม่ค่อยรู้เรื่อง โชคดีที่ Wi-Fi เป็นเทคโนโลยีที่ฉลาด พอพูดเร็วไป ฟังไม่รู้เรื่อง วิธีแก้ก็แค่ พูดให้ช้าลง
ในกรณีที่ SNR ลดลง Data Rate จะถูกลดทอนลงมาจนถึง MCS ที่ Client สามารถคุยกับ AP ได้ นี่เป็นสาเหตุที่ทำไม AP อยู่ยิ่งไกล (SNR ต่ำ) เน็ตยิ่งอืด
ทำไมโรงแรมที่ติด AP ตาม Corridor นอกห้องแขกจะมีปัญหา Wi-Fi ช้า เพราะ Client จะได้ MCS ที่ต่ำมาก ไม่นับปัญหา channel interference ที่ตีกับ AP ตัวอื่นๆนอกห้อง ฉะนั้นมาตรฐานการติดตั้ง Wi-Fi ใหม่ของโรงแรมเชนใหญ่ๆหลายแห่งคือบังคับติด AP ในห้องแขก โดยมีวัตถุประสงค์หลักคือให้ AP มาอยู่ใกล้ Client ให้มากที่สุดเพื่อช่วยเพิ่ม MCS นั่นเองครับ
ก่อนที่จะจบ Section นี้ ลองย้อนกลับขึ้นไปดูตารางข้างบน ให้สังเกต MCS 9 ที่ 40MHz นี่ SNR 31 เอาไม่อยู่แล้วนะครับ ต้องได้ SNR 34 ถึงจะได้ MCS 9 เหตุผลคือ การที่เราทำ Channel Bonding ทำให้ Noise สูงขึ้นเช่นกัน ฉะนั้น เราต้องได้สัญญาณที่เข้มขึ้นเพื่อกลบความดังของ Noise ดังนั้น ถ้าเราใช้ channel ยิ่งกว้าง เราต้องได้ SNR ยิ่งสูงถ้าเราจะเกาะที่ MCS 9
Wi-Fi 6 MCS Index
ที่เขียนมาทั้งหมด ผมไม่ได้พูดถึงตัว MCS ของ Wi-Fi 6 เลย
Wi-Fi 6 ก็มี MCS Index ครับ แต่เนื่องจากมันใช้เทคโนโลยี OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) หลักการทำงานจะต่างกับ OFDM พอสมควร ผมเขียน Blog What is Wi-Fi 6 and Does Your Organization Need It? (Eng) ทีอธิบายเทคโนโลยีใหม่ๆของ Wi-Fi 6 ครับ
ฟีเจอร์ชูโรงของ Wi-Fi 6 เลยคือรองรับ 1024-QAM และ 8 Spatial Streams ทำให้มี Data Rate ทั้งหมดถึง 1,724 ชุด ใช้ MCS ทั้งหมด 12 ระดับ เริ่มตั้งแต่ 0 ถึง 11
ตารางข้างล่างจัดมาให้ 3 Spatial Streams เพราะใช้จริงๆคงไม่เกินนี้
ปอ ลิง กรณีข้างบนคือถ้า Wi-Fi 6 ทำงานในโหมด OFDMA นะครับ แต่เนื่องจาก Wi-Fi 6 มันทำ Backward Compatible กับ Wi-Fi 5 ได้จึงสามารถสื่อสารโดยใช้โหมด OFDM ได้เช่นกัน ในกรณีนี้ เราจะต้องอ้างอิง Data Rate จาก ตาราง MCS อีกชุดตามนี้ครับ
ถ้าดูเผินๆ อาจจะดูซับซ้อนแต่วิธีการอ่านตารางก็ไม่ต่างกับ OFDM แค่จำไว้ว่า Wi-Fi 5 max ที่ 9 Wi-Fi 6 max ที่ 11 แล้วเช็คว่าเรา connect อยู่ที่ MCS ไหน
ท้ายสุดผมแนะนำว่าถ้าจะดูคุณภาพของสัญญาณ ไม่ต้องสนใจเรื่อง Spatial Streams เป้าหมายเราคือดัน MCS ให้สุด เพราะถ้าเราวิ่งได้ที่ MCS สูงๆแล้ว จำนวนเสาเป็นข้อจำกัดของตัว hardware ซึ่งเราทำอะไรไม่ได้นอกจากเปลี่ยนอุปกรณ์ แต่มันไม่ใช่ปัญหาคุณภาพของสัญญาณแล้วครับ