Die Entwicklung der Wi-Fi-Technologie

Der Standard wurde in den letzten 20 Jahren durch die Einführung neuer Protokolle wie 802.11n, 802.11ac und 802.11ax (Wi-Fi 6) kontinuierlich weiterentwickelt.Der neue Standard unterstützt Modulationsverfahren höherer Ordnung wie 64-QAM, 256-QAM und 1024-QAM. Diese neuen Standards ermöglichen die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme an einen oder mehrere Clients. Neben der Erhöhung der maximalen Datenraten wird auch die spektrale Effizienz verbessert, die angibt, wie gut ein System das verfügbare Spektrum nutzt. Zur Steigerung der Netzwerkeffizienz und -kapazität wurden Mehrbenutzertechnologien wie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) und OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) eingeführt. Mit der Veröffentlichung und Implementierung des Wi-Fi-Standards (802.11) begann sich die Welt zu verändern, der Markt öffnete sich und neue Technologien entstanden. Jeder neue Standard baut auf dem vorherigen auf und bietet Verbesserungen in Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.

WLAN-Standards

Wenn Sie ein neues WLAN-Gerät oder Mobilgerät kaufen möchten, kann die Vielzahl an Optionen und Abkürzungen schnell überfordern. Seit der Markteinführung von Wi-Fi für Endverbraucher im Jahr 1997 wurden die Standards kontinuierlich weiterentwickelt, was häufig zu höheren Geschwindigkeiten und einer besseren Netzwerk- und Spektrumeffizienz führte. Mit der Erweiterung des ursprünglichen 802.11-Standards um weitere Funktionen wurden auch die entsprechenden Nachfolgestandards (802.11b, 802.11g usw.) bekannt. Tabelle 1 listet die verschiedenen Standards und die maximal erreichbaren theoretischen Datenraten auf. Typische Raten liegen aufgrund verschiedener Faktoren unter den theoretischen Werten. Dazu gehören Signaldämpfung über die Entfernung, Modulationsrate und Vorwärtsfehlerkorrektur, Bandbreite, MIMO-Multiplikatoren, Schutzintervalle und typische Fehlerraten. Die 802.11-Familie umfasst verschiedene Halbduplex-Modulationstechnologien für die drahtlose Übertragung, die dasselbe Basisprotokoll verwenden. In diesem Artikel erläutern wir die Grundlagen der einzelnen Wi-Fi-Standards.

Tabelle 1WLAN-Verlauf

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997, der erste Funkstandard dieser Familie, wurde 1997 veröffentlicht, ist aber mittlerweile veraltet. Dieser Standard definiert Protokolle und kompatible Verbindungen für drahtlose Datenkommunikationsgeräte in lokalen Netzwerken (LANs) mit CSMA/CA-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access Protocol) und Kollisionsvermeidung. Das Protokoll unterstützt drei Technologien der physikalischen Schicht: Infrarot mit 1 Mbit/s, Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) mit 1 Mbit/s und optional 2 Mbit/s sowie Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) mit 0,5 Mbit/s. Aufgrund von Interoperabilitätsproblemen, hohen Kosten und unzureichendem Datendurchsatz konnte sich das Protokoll nicht durchsetzen.

>> 802.11b standard

802.11b-Produkte kamen Mitte 1999 auf den Markt. Sie bieten eine maximale theoretische Datenrate von 11 Mbit/s und nutzen denselben CSMA/CA-Medienzugriff wie der ursprüngliche Standard. Die deutlichen Verbesserungen des Datendurchsatzes bei 802.11b in Verbindung mit erheblichen Preissenkungen führten zu einer breiten Akzeptanz dieser drahtlosen Technologie. 802.11b nutzt das lizenzfreie ISM-Frequenzband von 2.4 bis 2.5 GHz, ist eine direkte Erweiterung von DSSS und verwendet CCK (Complementary Code Keying) als Modulationstechnologie. 802.11b wird in Punkt-zu-Mehrpunkt-Konfigurationen eingesetzt, in denen ein Zugangspunkt mit mobilen Clients in seiner Reichweite kommuniziert.

Diese Reichweite hängt von der HF-Umgebung, der Sendeleistung und der Empfängerempfindlichkeit ab. 802.11b verfügt über eine Kanalbandbreite von 22 MHz und kann mit 11 Mbit/s arbeiten, skaliert aber auf 5.5 Mbit/s, 2 Mbit/s und schließlich 1 Mbit/s herunter (adaptive Ratenwahl), um die Wiederholungsrate aufgrund von Fehlern zu reduzieren [1]. Der 802.11b-Standard nutzt dieselbe Frequenzbandbreite wie andere Funkstandards. Daher können drahtlose Geräte im Haushalt, wie Mikrowellenherde, Bluetooth-Geräte und schnurlose Telefone, WLAN-Interferenzen verursachen.

>> 802.11a standard

802.11a verwendet dasselbe Kernprotokoll wie der ursprüngliche Standard, arbeitet im 5-GHz-Band, nutzt 52 Subträger im OFDM-Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und erreicht eine theoretische maximale Datenrate von 54 Mbit/s, was einem praktischen Durchsatz von 20 Mbit/s entspricht. Weitere unterstützte Datenraten sind 6, 9, 12, 18, 24, 36 und 48 Mbit/s. 802.11a und 802.11b sind nicht interoperabel, da sie in unterschiedlichen lizenzfreien ISM-Frequenzbändern arbeiten. Angesichts der zunehmenden Überlastung des 2.4-GHz-Bandes bietet das 5-GHz-Band deutliche Vorteile für 802.11a, die effektive Reichweite ist jedoch aufgrund der höheren Trägerfrequenz geringer als bei 802.11b/g.

802.11a-Produkte fanden aufgrund der Kosten, der geringen Reichweite und der Inkompatibilität mit 802.11b zunächst keine breite Akzeptanz. Von den 52 OFDM-Subträgern werden 48 für die Datenübertragung und 4 als Pilotsubträger verwendet. Der Trägerabstand beträgt 312.5 kHz. Jeder dieser Subträger kann BPSK, QPSK, 16-QAM oder 64-QAM sein. Die Kanalbandbreite beträgt 20 MHz, die belegte Bandbreite 16.6 MHz; die Symboldauer 4 Mikrosekunden, inklusive eines Schutzintervalls von 0.8 Mikrosekunden. Zu den Vorteilen von OFDM zählen die Reduzierung von Mehrwegeausbreitung und die Verbesserung der spektralen Effizienz [2]. Tabelle 2 listet die von 11a unterstützten Modulationsverfahren und ihre jeweiligen theoretischen Datenraten auf.

Tabelle 2802.11a-Modulationsrate und Datenrate bei 20 MHz Kanalabstand

>> 802.11g standard

802.11g wurde im Sommer 2003 eingeführt. Es nutzt dieselbe OFDM-Technologie wie 802.11a und unterstützt wie 802.11a eine theoretische Maximalrate von 54 Mbit/s. Wie 802.11b arbeitet es jedoch im stark frequentierten 2.4-GHz-Band und ist daher anfällig für Störungen und andere Einflüsse. 802.11g ist abwärtskompatibel zu 802.11b (d. h., 802.11b-Geräte können sich mit 802.11g-Zugangspunkten verbinden). 802.11g ist kompatibel mit Dualband- oder Dual-Mode-Zugangspunkten, die sowohl 802.11a als auch 802.11b/g unterstützen.

>> 802.11n standard

Die Einführung von 802.11n machte WLAN schneller und zuverlässiger. Dieser Fortschritt wurde durch die Integration von MIMO und 40-MHz-Kanälen in die physikalische Schicht (PHY) sowie durch Frame-Aggregation in die MAC-Schicht erreicht. MIMO verdoppelt die Kapazität einer drahtlosen Verbindung durch den Einsatz mehrerer Sende- und Empfangsantennen, um die Mehrwegeausbreitung auszunutzen. Diese Antennen müssen räumlich getrennt sein, damit die Signale von jeder Sende- zu jeder Empfangsantenne unterschiedliche räumliche Eigenschaften aufweisen. Dadurch können diese Datenströme am Empfänger in parallele, unabhängige Kanäle aufgeteilt werden.

Kanäle mit einer Bandbreite von 40 MHz können verdoppelt werden und erreichen so die doppelte PHY-Datenrate auf einem einzelnen 20-MHz-Kanal. Der 802.11n-Entwurf ermöglicht bis zu vier räumliche Datenströme mit einem maximalen theoretischen Durchsatz von 600 Mbit/s.

Der 20-MHz-Kanal verfügt über 56 OFDM-Subträger (52 für Daten, 4 für Pilotdaten) mit einem Trägerabstand von 312.5 kHz. Jeder dieser Subträger kann BPSK, QPSK, 16-QAM oder 64-QAM sein. Die Symboldauer beträgt 3.6 bzw. 4 Mikrosekunden, inklusive eines Schutzintervalls von 0.4 bzw. 0.8 Mikrosekunden. Tabelle 3 listet die verschiedenen Modulations- und Codierungsverfahren für einen einzelnen Datenstrom auf (bei mehreren Datenströmen ist die Datenrate ein Vielfaches der Anzahl der Ströme). 802.11n unterstützt Frame-Aggregation, bei der mehrere MAC Service Data Units (MSDU) oder MAC Protocol Data Units (MPDU) zusammengefasst werden, um den Overhead zu reduzieren und ihn über mehrere Frames zu mitteln, wodurch die Datenraten auf Benutzerebene erhöht werden. Darüber hinaus ist 802.11n abwärtskompatibel zu 802.11g, 11b und 11a[3]. Qorvo ist ein führender Anbieter von 802.11n-Komponenten, darunter Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker, Schalter und integrierte Front-End-Module (FEMs).

Tabelle 3802.11n-Modulation und Datenrate für einen einzelnen Datenstrom

>> 802.11ac standard

802.11ac beschleunigt WLAN durch Gigabit-Geschwindigkeiten. Es erweitert das 802.11n-Konzept um eine größere Bandbreite (bis zu 160 MHz), mehr MIMO-Spatial-Streams (bis zu 8), Downlink Multi-User MIMO (bis zu 4 Clients) und hochdichte Modulation (bis zu 256 QAM). 802.11ac unterstützt 256 QAM mit den Codierungsraten 3/4 und 5/6 (MCS8/9), was eine höhere System-EVM-Anforderung von 6 dB (-34 dB) erfordert. Die 11ac-Komponenten von Qorvo erfüllen diese EVM-Anforderungen problemlos. Da 802.11ac ausschließlich im 5-GHz-Band arbeitet, nutzen Dualband-Access-Points und -Clients weiterhin 802.11n im 2.4-GHz-Band. Die ersten 802.11ac-Router aus dem Jahr 2013 unterstützten lediglich 80-MHz-Kanäle und bis zu drei Spatial Streams und erreichten Geschwindigkeiten von bis zu 1300 Mbit/s auf der physikalischen Schicht. Die zweite Produktgeneration (802.11ac Wave 2) erschien 2015 und unterstützt mehr Kanalbündelung, mehr Spatial Streams und MU-MIMO. MU-MIMO stellt eine bedeutende Weiterentwicklung von 802.11ac dar: Während MIMO mehrere Streams an einen einzelnen Nutzer weiterleitet, kann MU-MIMO Spatial Streams gleichzeitig an mehrere Clients verteilen und so die Netzwerkeffizienz steigern. Zusätzlich nutzt 802.11ac die Beamforming-Technologie. Dabei richtet eine Antenne ein Funksignal gezielt auf ein bestimmtes Gerät. 802.11ac-Router sind abwärtskompatibel zu 802.11b, 11g, 11a und 11n, sodass alle älteren Clients mit 802.11ac-Routern problemlos funktionieren[4].

>>Wi-Fi 6 或 802.11ax Standard

802.11ax ist die sechste Generation von WLAN und baut auf den Stärken von 802.11ac auf, um eine höhere drahtlose Kapazität und Zuverlässigkeit zu bieten. Diese Vorteile werden durch eine dichtere Modulation (1024 QAM, OFDMA), einen reduzierten Unterträgerabstand (78.125 kHz) und eine ressourcenbasierte Zuweisung erreicht. Im Gegensatz zu 802.11ac ist 802.11ax eine Dualband-Technologie für 2.4 und 5 GHz und für maximale Kompatibilität mit 802.11a/g/n/ac-Clients ausgelegt. 802.11ax nutzt OFDMA, wodurch Ressourceneinheiten (RUs) die Bandbreite bedarfsgerecht aufteilen und mehreren Nutzern gleichzeitig eine höhere Geschwindigkeit und ein gleichwertiges Nutzungserlebnis bieten können. In 802.11ac wird der WLAN-Kanal in jeder PLCP-Protokolldateneinheit (PPDU) in eine kleinere Anzahl von OFDM-Unterkanälen unterteilt. Aufgrund von OFDMA (802.11ax) wird jedoch jede Subträgergruppe dem Client als Ressourceneinheit pro PPDU zugeordnet (Abbildung 2).

图 2 Vergleich der Ressourcenzuweisung von OFDM und OFDMA

Im CSMA/CA-Verfahren des frühen 802.11-Standards prüfte der WLAN-Client zunächst den Kanal und sendete nur, wenn dieser frei war, um Kollisionen zu vermeiden. Diese Methode zur Konfliktvermeidung ist zwar nützlich, wird aber bei einer großen Anzahl von Clients ineffizient. Das 802.11ax-Protokoll löst dieses Problem durch OFDMA und ressourcenbasierte Zeitplanung [5]. 802.11ax-Zugangspunkte steuern die Betriebszeiten des Geräts und ermöglichen so eine effizientere Clientverwaltung. Die Ressourcenplanung reduziert zudem den Stromverbrauch im Ruhemodus und verlängert dadurch die Akkulaufzeit der Clients. Tabelle 4 zeigt die Unterschiede zwischen den Protokollen 802.11ac und 802.11ax. Das umfangreiche 802.11ax-Produktportfolio von Qorvo umfasst 2.4-GHz- und 5-GHz-FEM-Filter sowie BAW-Filter (Bulk Acoustic Wave). Die energieeffizienten FEM-Filter des Portfolios reduzieren die thermische Belastung durch MIMO-Unterstützung in WLAN-Geräten und ermöglichen es Herstellern, Produktgröße und -kosten zu senken. Die edgeBoostTM (Bandrand) und coexBoostTM (Koexistenz) BAW-Filter von Qorvo verbessern die Wi-Fi-Dienstqualität und verhindern Störungen benachbarter LTE-Frequenzen.

Tabelle 4802.11ac vs. 802.11ax

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