سیر تکامل فناوری وای‌فای

این استاندارد در طول 20 سال گذشته با معرفی پروتکل‌های جدیدی مانند 802.11n، 802.11ac و 802.11ax (وای‌فای 6) به تکامل خود ادامه داده است.استاندارد جدید از طرح‌های مدولاسیون مرتبه بالاتر مانند 64 QAM، 256 QAM و 1024 QAM پشتیبانی می‌کند. این استانداردهای جدید از انتقال همزمان چندین جریان داده به یک یا چند کلاینت پشتیبانی می‌کنند. علاوه بر افزایش نرخ اوج داده، تلاش‌هایی نیز برای افزایش راندمان طیفی انجام می‌شود که مشخص می‌کند یک سیستم چقدر خوب از طیف موجود استفاده می‌کند. برای بهبود راندمان شبکه و ظرفیت شبکه، فناوری‌های چند کاربره مانند ورودی و خروجی چندگانه چند کاربره (MU-MIMO) و دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس متعامد (OFDMA) معرفی شده‌اند. پس از انتشار و پیاده‌سازی استاندارد Wi-Fi (802.11)، جهان با باز شدن بازار و ظهور فناوری‌های جدید، شروع به تغییر کرد. هر استاندارد جدید با بهبود سرعت و قابلیت اطمینان، بر پایه استاندارد قبلی بنا می‌شود.

استانداردهای وای فای

اگر به دنبال خرید یک دستگاه شبکه بی‌سیم یا دستگاه تلفن همراه جدید هستید، ممکن است با انبوهی از گزینه‌ها و اختصارات سردرگم شوید. از زمان عرضه اولیه Wi-Fi به مصرف‌کنندگان در سال ۱۹۹۷، استانداردهای آن همچنان در حال تکامل بوده‌اند که اغلب منجر به سرعت‌های بالاتر و کارایی بیشتر شبکه/طیف شده است. با اضافه شدن ویژگی‌های بیشتر به استاندارد اصلی ۸۰۲.۱۱، استانداردهای تکمیلی مربوطه (۸۰۲.۱۱b، ۸۰۲.۱۱g و غیره) نیز شناخته شدند. جدول ۱ استانداردهای مختلف و حداکثر نرخ داده نظری قابل دستیابی بر اساس این استانداردها را فهرست می‌کند. نرخ‌های معمول به دلیل عوامل مختلفی از جمله تضعیف سیگنال در طول مسافت، نرخ مدولاسیون و کدگذاری تصحیح خطای رو به جلو، پهنای باند، ضرب‌کننده‌های MIMO، فواصل محافظ و نرخ‌های خطای معمول، کمتر از مقادیر نظری خواهند بود. خانواده ۸۰۲.۱۱ شامل خانواده‌ای از فناوری‌های مدولاسیون نیمه دوطرفه از طریق هوا است که از پروتکل پایه یکسانی استفاده می‌کنند. در این مقاله، اصول اولیه هر استاندارد Wi-Fi را مورد بحث قرار خواهیم داد.

جدول 1تاریخچه Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997، اولین استاندارد بی‌سیم در این خانواده، در سال ۱۹۹۷ منتشر شد اما اکنون منسوخ شده است. این استاندارد پروتکل‌ها و اتصالات داخلی سازگار را برای تجهیزات ارتباطات داده هوایی در شبکه‌های محلی (LAN) پروتکل دسترسی چندگانه حسگر حامل (CSMA/CA) با اجتناب از تصادم تعریف می‌کند. این پروتکل از سه فناوری لایه فیزیکی پشتیبانی می‌کند، از جمله مادون قرمز که با سرعت ۱ مگابیت در ثانیه کار می‌کند، طیف گسترده با جهش فرکانسی (FHSS) که از نرخ داده ۱ مگابیت در ثانیه و ۲ مگابیت در ثانیه اختیاری پشتیبانی می‌کند، و طیف گسترده توالی مستقیم (DSSS) که از نرخ داده ۱/۲ مگابیت در ثانیه نیز پشتیبانی می‌کند. این پروتکل به دلیل مشکلات قابلیت همکاری، هزینه و عدم توان عملیاتی کافی، به طور گسترده مورد استقبال قرار نگرفت.

>> 802.11b standard

محصولات 802.11b در اواسط سال 1999 به بازار عرضه شدند. حداکثر سرعت داده نظری آن 11 مگابیت در ثانیه است و از همان دسترسی رسانه‌ای CSMA/CA که در استاندارد اصلی تعریف شده بود، استفاده می‌کند. پیشرفت‌های چشمگیر در توان عملیاتی 802.11b همراه با کاهش قابل توجه قیمت، منجر به پذیرش گسترده 802.11b به عنوان یک فناوری بی‌سیم شده است. 802.11b از باند فرکانسی بدون مجوز ISM با فرکانس 2.4 تا 2.5 گیگاهرتز استفاده می‌کند، توسعه مستقیم DSSS است و از کلیدگذاری کد مکمل (CCK) به عنوان فناوری مدولاسیون خود استفاده می‌کند. 802.11b در پیکربندی‌های نقطه به چند نقطه استفاده می‌شود که در آن یک نقطه دسترسی با کلاینت‌های سیار در محدوده نقطه دسترسی ارتباط برقرار می‌کند.

این محدوده به محیط RF، توان خروجی و حساسیت گیرنده بستگی دارد. 802.11b دارای پهنای باند کانال 22 مگاهرتز است و می‌تواند با سرعت 11 مگابیت در ثانیه کار کند، اما برای کاهش نرخ بازپخش ناشی از خطاها، به 5.5 مگابیت در ثانیه، 2 مگابیت در ثانیه و 1 مگابیت در ثانیه (انتخاب نرخ تطبیقی) کاهش می‌یابد [1]. استاندارد 802.11b پهنای باند فرکانسی مشابه سایر استانداردهای بی‌سیم را به اشتراک می‌گذارد. بنابراین، دستگاه‌های بی‌سیم در خانه مانند اجاق‌های مایکروویو، دستگاه‌های بلوتوث و تلفن‌های بی‌سیم می‌توانند باعث تداخل با Wi-Fi شوند.

>> 802.11a standard

802.11a از همان پروتکل اصلی استاندارد اصلی استفاده می‌کند، در فرکانس 5 گیگاهرتز کار می‌کند، از 52 زیرحامل مالتی‌پلکسینگ تقسیم فرکانس متعامد (OFDM) استفاده می‌کند و حداکثر سرعت داده نظری 54 مگابیت در ثانیه دارد که منجر به توان عملیاتی 20 مگابیت در ثانیه می‌شود. سایر سرعت‌های داده‌ای که پشتیبانی می‌کند شامل 6، 9، 12، 18، 24، 36 و 48 مگابیت در ثانیه است. 802.11a و 802.11b با هم کار نمی‌کنند زیرا در باندهای ISM بدون مجوز مختلف کار می‌کنند. با افزایش شلوغی باند 2.4 گیگاهرتز، باند 5 گیگاهرتز مزایای قابل توجهی به 802.11a اضافه می‌کند، اما برد مؤثر کلی به دلیل فرکانس حامل بالا، کمتر از 802.11b/g است.

محصولات 802.11a در ابتدا به دلیل عوامل هزینه، پوشش ضعیف و ناسازگاری با 802.11b به طور گسترده پذیرفته نشدند. از 52 زیرحامل OFDM، 48 مورد برای داده و 4 مورد زیرحامل آزمایشی با فاصله حامل 312.5 کیلوهرتز استفاده می‌شوند. هر یک از این زیرحامل‌ها می‌توانند BPSK، QPSK، 16 QAM یا 64 QAM باشند. پهنای باند کانال 20 مگاهرتز، پهنای باند اشغال شده 16.6 مگاهرتز؛ مدت زمان نماد 4 میکروثانیه، شامل فاصله محافظ 0.8 میکروثانیه. مزایای OFDM شامل کاهش اثرات چندمسیره در دریافت و بهبود راندمان طیفی است [2]. جدول 2 مدولاسیون‌های مختلف پشتیبانی شده توسط 11a و نرخ داده نظری مربوطه آنها را فهرست می‌کند.

جدول 2نرخ مدولاسیون و نرخ داده 802.11a با فاصله کانال 20 مگاهرتز

>> 802.11g standard

802.11g در تابستان 2003 در دسترس قرار گرفت. این استاندارد از همان فناوری OFDM مانند 802.11a استفاده می‌کند و مانند 802.11a از حداکثر سرعت نظری 54 مگابیت در ثانیه پشتیبانی می‌کند؛ اما مانند 802.11b، در فرکانس شلوغ 2.4 گیگاهرتز کار می‌کند و بنابراین مستعد تداخل و سایر عوامل است. 802.11g با 802.11b سازگار است (یعنی دستگاه‌های 802.11b می‌توانند به نقاط دسترسی 802.11g متصل شوند). 802.11g با نقاط دسترسی دو بانده یا دو حالته که از 802.11a و 802.11b/g استفاده می‌کنند، سازگار است.

>> 802.11n standard

معرفی 802.11n، وای‌فای را سریع‌تر و قابل اعتمادتر کرد؛ این پیشرفت با اضافه کردن MIMO و کانال‌های 40 مگاهرتز به لایه فیزیکی (PHY) و تجمیع فریم به لایه MAC حاصل شد. MIMO روشی برای دو برابر کردن ظرفیت یک لینک بی‌سیم با استفاده از چندین آنتن فرستنده و گیرنده برای بهره‌گیری از انتشار چندمسیره است. این آنتن‌ها باید از نظر مکانی از هم جدا باشند تا سیگنال‌های هر آنتن فرستنده به هر آنتن گیرنده دارای ویژگی‌های مکانی متفاوتی باشند تا این جریان‌ها بتوانند در گیرنده به کانال‌های مستقل موازی تفکیک شوند.

کانال‌هایی که با پهنای باند ۴۰ مگاهرتز کار می‌کنند، می‌توانند دو برابر عرض داشته باشند و به دو برابر نرخ داده فیزیکی در یک کانال ۲۰ مگاهرتز دست یابند. پیش‌نویس ۸۰۲.۱۱n امکان ایجاد حداکثر ۴ جریان مکانی با حداکثر توان عملیاتی نظری ۶۰۰ مگابیت در ثانیه را فراهم می‌کند.

کانال 20 مگاهرتز دارای 56 زیرحامل OFDM است، 52 تا برای داده و 4 تا برای پایلوت، با فاصله حامل 312.5 کیلوهرتز. هر یک از این زیرحامل‌ها می‌توانند BPSK، QPSK، 16 QAM یا 64 QAM باشند. مدت زمان کل نماد 3.6 یا 4 میکروثانیه است که شامل فاصله محافظ به ترتیب 0.4 یا 0.8 میکروثانیه می‌شود. جدول 3 طرح‌های مختلف مدولاسیون و کدگذاری را برای یک جریان داده واحد فهرست می‌کند (برای چندین جریان داده، نرخ داده مضربی از تعداد جریان‌ها است). 802.11n از تجمیع فریم پشتیبانی می‌کند، که در آن چندین واحد داده سرویس MAC (MSDU) یا واحدهای داده پروتکل MAC (MPDU) برای کاهش سربار و میانگین‌گیری آن در چندین فریم برای افزایش نرخ داده در سطح کاربر، با هم بسته‌بندی می‌شوند. علاوه بر این، 802.11n با 802.11g، 11b و 11a سازگار است [3]. شرکت Qorvo یکی از تأمین‌کنندگان پیشرو در زمینه قطعات 802.11n، از جمله تقویت‌کننده‌های توان، تقویت‌کننده‌های کم‌نویز، سوئیچ‌ها و ماژول‌های یکپارچه جلویی (FEM) بوده است.

جدول 3مدولاسیون 802.11n و نرخ داده برای یک جریان داده واحد

>> 802.11ac standard

802.11ac با ارائه گیگابیت در ثانیه و با گسترش مفهوم 802.11n برای شامل شدن پهنای باند وسیع‌تر (تا 160 مگاهرتز)، جریان‌های مکانی MIMO بیشتر (تا 8)، MIMO چندکاربره downlink (تا 4 کلاینت) و مدولاسیون با چگالی بالا (تا 256 QAM)، سرعت وای‌فای را افزایش می‌دهد. 802.11ac از 256 QAM با نرخ کد 3/4، 5/6 (MCS8/9) پشتیبانی می‌کند که نیاز به الزام EVM سطح سیستم 6 دسی‌بل (-34 دسی‌بل) سختگیرانه‌تری دارد. اجزای 11ac شرکت Qorvo به راحتی این الزامات EVM را برآورده می‌کنند. 802.11ac فقط در باند 5 گیگاهرتز کار می‌کند، بنابراین نقاط دسترسی و کلاینت‌های دو بانده همچنان از 802.11n با فرکانس 2.4 گیگاهرتز استفاده خواهند کرد. اولین نسخه‌های 802.11ac که در سال 2013 منتشر شدند، تنها از کانال‌های 80 مگاهرتز و حداکثر 3 جریان فضایی پشتیبانی می‌کردند و سرعت‌هایی تا 1300 مگابیت بر ثانیه را در لایه فیزیکی ارائه می‌دادند. موج دوم محصولات (802.11ac Wave 2) در سال 2015 منتشر شد و از اتصال کانال بیشتر، جریان‌های فضایی بیشتر و MU-MIMO پشتیبانی می‌کند. MUMIMO یک پیشرفت بزرگ نسبت به 802.11ac است - در حالی که MIMO چندین جریان را به یک کاربر هدایت می‌کند، MU-MIMO می‌تواند جریان‌های فضایی را به طور همزمان به چندین کلاینت هدایت کند و کارایی شبکه را بهبود بخشد. علاوه بر این، 802.11ac از فناوری‌ای به نام beamforming استفاده می‌کند. با beamforming، یک آنتن اساساً یک سیگنال رادیویی را به یک دستگاه خاص می‌فرستد. روترهای 802.11ac با 802.11b، 11g، 11a و 11n سازگار هستند، به این معنی که همه کلاینت‌های قدیمی با روترهای 802.11ac به درستی کار خواهند کرد [4].

>>Wi-Fi 6 یا 802.11ax standard

802.11ax ششمین نسل از وای‌فای است که بر اساس نقاط قوت 802.11ac ساخته شده تا ظرفیت بی‌سیم و قابلیت اطمینان بیشتری را ارائه دهد. 802.11ax این مزایا را با اعمال مدولاسیون متراکم‌تر (1024 QAM، OFDMA)، کاهش فاصله زیرحامل‌ها (78.125 کیلوهرتز) و بر اساس تخصیص منابع برنامه‌ریزی‌شده به دست می‌آورد. برخلاف 802.11ac، 802.11ax یک فناوری دو بانده 2.4 و 5 گیگاهرتز است و برای حداکثر سازگاری جهت همزیستی مؤثر با کلاینت‌های 802.11a/g/n/ac طراحی شده است. 802.11ax از OFDMA استفاده می‌کند که به واحدهای منبع (RU) اجازه می‌دهد پهنای باند را بر اساس نیاز کلاینت تقسیم کنند و همان تجربه را با سرعت بیشتری به چندین کاربر ارائه دهند. در هر نقطه معین روی حامل در هر واحد داده پروتکل PLCP (PPDU) در 802.11ac، کانال Wi-Fi به مجموعه‌ای کوچکتر از زیرکانال‌های OFDM تقسیم می‌شود. با این حال، به دلیل OFDMA (802.11ax)، هر گروه زیرحامل به عنوان یک واحد منبع بر اساس هر PPDU به کلاینت اختصاص داده می‌شود (شکل 2).

图 2 مقایسه تخصیص منابع OFDM و OFDMA

در رویکرد CSMA/CA استاندارد اولیه 802.11، کلاینت بی‌سیم ابتدا کانال را حس می‌کرد و تنها زمانی که احساس می‌کرد کانال بیکار است، اقدام به ارسال می‌کرد و در نتیجه سعی در جلوگیری از تصادم می‌کرد. اگرچه این روش واضح برای ارزیابی و جلوگیری از تداخل مفید است، اما وقتی تعداد کلاینت‌ها بسیار زیاد می‌شود، ناکارآمد می‌شود. پروتکل 802.11ax این مشکل را از طریق OFDMA و تخصیص منابع مبتنی بر زمان‌بندی حل می‌کند [5]. نقاط دسترسی 802.11ax زمان کار دستگاه را تعیین می‌کنند، بنابراین کلاینت‌ها را با کارایی بیشتری مدیریت می‌کند. زمان‌بندی منابع همچنین می‌تواند مصرف برق را در زمان‌های خواب به طور قابل توجهی کاهش دهد و در نتیجه عمر باتری کلاینت را بهبود بخشد. جدول 4 تفاوت‌های بین پروتکل‌های 802.11ac و 802.11ax را فهرست می‌کند. سبد محصولات گسترده 802.11ax شرکت Qorvo شامل فیلترهای 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز (FEM) و موج صوتی حجیم (BAW) است. FEM با مصرف انرژی بهینه این سبد، بار حرارتی مرتبط با پشتیبانی MIMO در دستگاه‌های Wi-Fi را کاهش می‌دهد و به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که اندازه و هزینه محصول را کاهش دهند. فیلترهای edgeBoostTM (لبه باند) و coexBoostTM (همزیستی) BAW شرکت Qorvo کیفیت سرویس وای‌فای را بهبود بخشیده و از تداخل با فرکانس‌های LTE مجاور جلوگیری می‌کنند.

جدول 4802.11ac vs. 802.11ax

این مقاله برگرفته از "Qorvo«در صورت وجود هرگونه تخلف یا موارد دیگر، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.»برای حمایت از حقوق مالکیت معنوی، لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید.