La evolución de la tecnología Wi-Fi

El estándar ha seguido evolucionando durante los últimos 20 años mediante la introducción de nuevos protocolos como 802.11n, 802.11ac y 802.11ax (Wi-Fi 6).El nuevo estándar admite esquemas de modulación de orden superior como 64 QAM, 256 QAM y 1024 QAM. Estos nuevos estándares permiten la transmisión simultánea de múltiples flujos de datos a uno o varios clientes; además de aumentar las velocidades máximas de datos, también se busca mejorar la eficiencia espectral, que caracteriza la eficacia con la que un sistema utiliza el espectro disponible. Para mejorar la eficiencia y la capacidad de la red, se han introducido tecnologías multiusuario como MU-MIMO (Multiple Input Multiple Output) y OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Tras el lanzamiento e implementación del estándar Wi-Fi (802.11), el mundo comenzó a transformarse con la apertura del mercado y la aparición de nuevas tecnologías. Cada nuevo estándar se basa en el anterior, con mejoras en velocidad y fiabilidad.

Estándares de Wi-Fi

Si buscas comprar un nuevo dispositivo de red inalámbrica o un dispositivo móvil, puedes sentirte abrumado por la gran cantidad de opciones y abreviaturas. Desde que Wi-Fi se lanzó al mercado en 1997, sus estándares han seguido evolucionando, lo que a menudo se traduce en velocidades más rápidas y una mayor eficiencia de red/espectro. A medida que se añadieron más funciones al estándar original 802.11, también se dieron a conocer sus estándares suplementarios correspondientes (802.11b, 802.11g, etc.). La Tabla 1 enumera los diferentes estándares y las velocidades de datos teóricas máximas que se pueden alcanzar con base en estos estándares. Las velocidades típicas serán inferiores a los valores teóricos debido a una variedad de factores, incluyendo la atenuación de la señal con la distancia, la tasa de modulación y la codificación de corrección de errores hacia adelante, el ancho de banda, los multiplicadores MIMO, los intervalos de guarda y las tasas de error típicas. La familia 802.11 consta de una familia de tecnologías de modulación inalámbrica semidúplex que utilizan el mismo protocolo básico. En este artículo, analizaremos los fundamentos de cada estándar Wi-Fi.

Tabla 1Historial de Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

El estándar 802.11-1997, el primero de la familia de estándares inalámbricos, se publicó en 1997, pero actualmente está obsoleto. Este estándar define protocolos e interconexiones compatibles para equipos de comunicaciones de datos inalámbricas en redes de área local (LAN) con protocolo de acceso múltiple con detección de portadora (CSMA/CA) y prevención de colisiones. El protocolo admite tres tecnologías de capa física: infrarrojos (1 Mbps), espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) (1 Mbps y opcionalmente 2 Mbps) y espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) (1/2 Mbps). El protocolo no tuvo una amplia aceptación debido a problemas de interoperabilidad, su coste y la falta de un rendimiento suficiente.

>> 802.11b standard

Los productos 802.11b llegaron al mercado a mediados de 1999. Ofrecen una velocidad de datos teórica máxima de 11 Mbps y utilizan el mismo acceso al medio CSMA/CA definido en el estándar original. Las notables mejoras en el rendimiento de 802.11b, junto con importantes reducciones de precio, han propiciado su amplia aceptación como tecnología inalámbrica. 802.11b utiliza la banda de frecuencia no licenciada ISM de 2.4 a 2.5 GHz, es una extensión directa de DSSS y emplea la modulación por codificación complementaria (CCK). 802.11b se utiliza en configuraciones punto a multipunto, donde un punto de acceso se comunica con clientes móviles dentro de su alcance.

Este rango depende del entorno de radiofrecuencia, la potencia de salida y la sensibilidad del receptor. El estándar 802.11b tiene un ancho de banda de canal de 22 MHz y puede operar a 11 Mbps, pero se reduce a 5.5 Mbps, 2 Mbps y 1 Mbps (selección de velocidad adaptativa) para disminuir las tasas de repetición debidas a errores [1]. El estándar 802.11b comparte el mismo ancho de banda de frecuencia que otros estándares inalámbricos. Por lo tanto, los dispositivos inalámbricos en el hogar, como hornos microondas, dispositivos Bluetooth y teléfonos inalámbricos, pueden causar interferencias en la red Wi-Fi.

>> 802.11a standard

802.11a utiliza el mismo protocolo central que el estándar original, opera a 5 GHz, emplea 52 subportadoras de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) y tiene una velocidad de datos teórica máxima de 54 Mbps, lo que resulta en un rendimiento práctico de 20 Mbps. Otras velocidades de datos que admite incluyen 6, 9, 12, 18, 24, 36 y 48 Mbps. 802.11a y 802.11b no son interoperables porque operan en diferentes bandas ISM sin licencia. A medida que la banda de 2.4 GHz se satura cada vez más, la banda de 5 GHz aporta ventajas significativas a 802.11a, pero el alcance efectivo general es menor que el de 802.11b/g debido a la alta frecuencia portadora.

Los productos 802.11a no fueron inicialmente ampliamente aceptados debido a factores de costo, cobertura deficiente e incompatibilidad con 802.11b. De las 52 subportadoras OFDM, 48 se utilizan para datos y 4 son subportadoras piloto, con un espaciado de portadora de 312.5 kHz. Cada una de estas subportadoras puede ser BPSK, QPSK, 16 QAM o 64 QAM. Ancho de banda del canal 20 MHz, ancho de banda ocupado 16.6 MHz; duración del símbolo 4 microsegundos, incluyendo un intervalo de guarda de 0.8 microsegundos. Las ventajas de OFDM incluyen la reducción de los efectos de multitrayectoria en la recepción y la mejora de la eficiencia espectral [2]. La Tabla 2 enumera las diferentes modulaciones admitidas por 11a y sus respectivas velocidades de datos teóricas.

Tabla 2Velocidad de modulación y velocidad de datos 802.11a con espaciado de canales de 20 MHz.

>> 802.11g standard

El estándar 802.11g se lanzó en el verano de 2003. Utiliza la misma tecnología OFDM que el 802.11a y, al igual que este, admite una velocidad teórica máxima de 54 Mbps; sin embargo, como el 802.11b, opera en la saturada banda de 2.4 GHz y, por lo tanto, es susceptible a interferencias y otros factores. El 802.11g es retrocompatible con el 802.11b (es decir, los dispositivos 802.11b pueden conectarse a puntos de acceso 802.11g). El 802.11g es compatible con puntos de acceso de doble banda o modo dual que utilizan los estándares 802.11a y 802.11b/g.

>> 802.11n standard

La introducción del estándar 802.11n hizo que el Wi-Fi fuera más rápido y confiable. Este avance se logró mediante la incorporación de MIMO y canales de 40 MHz a la capa física (PHY), así como la agregación de tramas a la capa MAC. MIMO es un método para duplicar la capacidad de un enlace inalámbrico mediante el uso de múltiples antenas de transmisión y recepción, aprovechando la propagación multitrayecto. Estas antenas deben estar separadas espacialmente para que las señales de cada antena transmisora ​​a cada antena receptora tengan características espaciales diferentes, permitiendo así que estos flujos se separen en canales paralelos e independientes en el receptor.

Los canales que operan con un ancho de banda de 40 MHz pueden duplicar su ancho y alcanzar el doble de la velocidad de datos PHY en un solo canal de 20 MHz. El borrador del estándar 802.11n permite hasta 4 flujos espaciales con un rendimiento teórico máximo de 600 Mbps.

El canal de 20 MHz tiene 56 subportadoras OFDM, 52 para datos y 4 para piloto, con un espaciado de portadora de 312.5 kHz. Cada una de estas subportadoras puede ser BPSK, QPSK, 16 QAM o 64 QAM. La duración total del símbolo es de 3.6 o 4 microsegundos, incluyendo un intervalo de guarda de 0.4 o 0.8 microsegundos respectivamente. La Tabla 3 enumera los diferentes esquemas de modulación y codificación para un único flujo de datos (para múltiples flujos de datos, la velocidad de datos es un múltiplo del número de flujos). 802.11n admite la agregación de tramas, donde múltiples Unidades de Datos de Servicio MAC (MSDU) o Unidades de Datos de Protocolo MAC (MPDU) se agrupan para reducir la sobrecarga y promediarla en múltiples tramas para aumentar las velocidades de datos a nivel de usuario. Además, 802.11n es retrocompatible con 802.11g, 11b y 11a[3]. Qorvo ha sido un proveedor líder de componentes 802.11n, incluidos amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido, conmutadores y módulos frontales integrados (FEM).

Tabla 3Modulación 802.11n y velocidad de datos para un único flujo de datos.

>> 802.11ac standard

802.11ac acelera Wi-Fi al ofrecer gigabits por segundo, extendiendo el concepto 802.11n para incluir un ancho de banda mayor (hasta 160 MHz), más flujos espaciales MIMO (hasta 8), MIMO multiusuario de enlace descendente (hasta 4 clientes) y modulación de alta densidad (hasta 256 QAM). 802.11ac admite 256 QAM con tasas de código de 3/4, 5/6 (MCS8/9), lo que requiere un requisito de EVM a nivel de sistema más estricto de 6 dB (-34 dB). Los componentes 11ac de Qorvo cumplen fácilmente con estos requisitos de EVM. 802.11ac solo opera en la banda de 5 GHz, por lo que los puntos de acceso y clientes de doble banda seguirán utilizando 802.11n a 2.4 GHz. Las primeras versiones de 802.11ac lanzadas en 2013 solo admitían canales de 80 MHz y hasta 3 flujos espaciales, ofreciendo velocidades de hasta 1300 Mbps en la capa física. La segunda generación de productos (802.11ac Wave 2) se lanzó en 2015 y admite más agregación de canales, más flujos espaciales y MU-MIMO. MU-MIMO representa un avance importante con respecto a 802.11ac: mientras que MIMO dirige múltiples flujos a un solo usuario, MU-MIMO puede dirigir flujos espaciales a múltiples clientes simultáneamente, mejorando la eficiencia de la red. Además, 802.11ac utiliza una tecnología llamada beamforming; con beamforming, una antena básicamente dirige una señal de radio a un dispositivo específico. Los routers 802.11ac son retrocompatibles con 802.11b, 11g, 11a y 11n, lo que significa que todos los clientes antiguos funcionarán correctamente con routers 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 estándar 802.11ax

802.11ax es la sexta generación de Wi-Fi que se basa en las fortalezas de 802.11ac para ofrecer mayor capacidad y confiabilidad inalámbricas. 802.11ax logra estas ventajas mediante la aplicación de una modulación más densa (1024 QAM, OFDMA), la reducción del espaciado de subportadoras (78.125 kHz) y la asignación programada de recursos. A diferencia de 802.11ac, 802.11ax es una tecnología de doble banda de 2.4 y 5 GHz y está diseñada para una máxima compatibilidad para coexistir eficientemente con clientes 802.11a/g/n/ac. 802.11ax utiliza OFDMA, que permite a las unidades de recursos (RU) dividir el ancho de banda según las necesidades del cliente y brindar la misma experiencia a múltiples usuarios a velocidades más rápidas. En cualquier punto dado de la portadora en cada unidad de datos de protocolo PLCP (PPDU) en 802.11ac, el canal Wi-Fi se divide en un conjunto más pequeño de subcanales OFDM. Sin embargo, debido a OFDMA (802.11ax), cada grupo de subportadoras se asigna al cliente como una unidad de recursos por PPDU (Figura 2).

图 2 Comparación de la asignación de recursos de OFDM y OFDMA

En el enfoque CSMA/CA del estándar 802.11 inicial, el cliente inalámbrico primero detectaba el canal y transmitía solo cuando lo detectaba libre, intentando así evitar colisiones. Si bien este método claro de evaluación y prevención de conflictos es útil, se vuelve ineficiente cuando el número de clientes es muy grande. El protocolo 802.11ax resuelve este problema mediante OFDMA y la asignación de recursos basada en programación [5]. Los puntos de acceso 802.11ax determinan cuándo opera el dispositivo, por lo que gestiona a los clientes de forma más eficiente. La programación de recursos también puede reducir significativamente el consumo de energía durante los períodos de inactividad, mejorando así la duración de la batería del cliente. La Tabla 4 enumera las diferencias entre los protocolos 802.11ac y 802.11ax. La amplia cartera de productos 802.11ax de Qorvo incluye filtros de 2.4 GHz y 5 GHz (FEM) y de onda acústica de volumen (BAW). La tecnología FEM de bajo consumo energético de la cartera reduce la carga térmica asociada a la compatibilidad con MIMO en dispositivos Wi-Fi, lo que permite a los fabricantes disminuir el tamaño y el coste del producto. Los filtros BAW edgeBoost™ (borde de banda) y coexBoost™ (coexistencia) de Qorvo mejoran la calidad del servicio Wi-Fi y evitan interferencias con las frecuencias LTE adyacentes.

Tabla 4802.11ac vs. 802.11ax

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