האבולוציה של טכנולוגיית ה-Wi-Fi

התקן המשיך להתפתח במהלך 20 השנים האחרונות על ידי הצגת פרוטוקולים חדשים כגון 802.11n, 802.11ac ו-802.11ax (Wi-Fi 6)התקן החדש תומך בתכניות אפנון מסדר גבוה יותר כגון 64 QAM, 256 QAM ו-1024 QAM. תקנים חדשים אלה תומכים בהעברה סימולטנית של זרמי נתונים מרובים ללקוח יחיד או למספר לקוחות; בנוסף להגדלת קצבי נתוני שיא, נעשים גם מאמצים לשיפור היעילות הספקטרלית, המאפיינת את מידת השימוש הטוב של מערכת בספקטרום הזמין. כדי לשפר את יעילות הרשת ואת קיבולת הרשת, הוצגו טכנולוגיות מרובות משתמשים כגון MU-MIMO (multi-user multiple input multiple output) ו-OFDMA (orthogonal frequency division access). לאחר שתקן ה-Wi-Fi (802.11) שוחרר ויושם, העולם החל להשתנות ככל שהשוק נפתח וצצו טכנולוגיות חדשות. כל תקן חדש מתבסס על הקודם עם שיפורים במהירות ובאמינות.

תקני Wi-Fi

אם אתם מחפשים לרכוש מכשיר רשת אלחוטי חדש או מכשיר נייד, אתם עלולים להיות מוצפים מהאפשרויות והקיצורים הרבים. מאז ש-Wi-Fi שוחרר לראשונה לצרכנים בשנת 1997, הסטנדרטים שלו המשיכו להתפתח, מה שהביא לעתים קרובות למהירויות גבוהות יותר ויעילות רשת/ספקטרום גדולה יותר. ככל שנוספו תכונות נוספות לתקן 802.11 המקורי, גם הסטנדרטים המשלימים התואמים לו (802.11b, 802.11g וכו') הפכו ידועים. טבלה 1 מפרטת את הסטנדרטים השונים ואת קצבי הנתונים התאורטיים המרביים שניתן להשיג על סמך סטנדרטים אלה. קצבים אופייניים יהיו נמוכים מערכים תאורטיים עקב מגוון גורמים, כולל הנחתת אות לאורך מרחק, קצב אפנון וקידוד תיקון שגיאות קדימה, רוחב פס, מכפילי MIMO, מרווחי הגנה וקצבי שגיאות אופייניים. משפחת 802.11 מורכבת ממשפחה של טכנולוגיות אפנון חצי דו-צדדי המשתמשות באותו פרוטוקול בסיסי. במאמר זה נדון ביסודות של כל תקן Wi-Fi.

לוח 1היסטוריית Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997, התקן האלחוטי הראשון במשפחה, יצא לאור בשנת 1997 אך כיום הוא מיושן. תקן זה מגדיר פרוטוקולים וחיבורים תואמים עבור ציוד תקשורת נתונים דרך האוויר ברשתות מקומיות (LAN) מסוג Carrier Sense Multiple Access Protocol (CSMA/CA) עם מניעת התנגשויות. הפרוטוקול תומך בשלוש טכנולוגיות שכבה פיזית, כולל אינפרא אדום הפועלת במהירות של 1 מגה-ביט לשנייה, ספקטרום מתפשט תדרים (FHSS) התומך בקצבי נתונים של 1 מגה-ביט לשנייה ואופציונליים של 2 מגה-ביט לשנייה, וספקטרום מתפשט רצף ישיר (DSSS) התומך גם בקצבי נתונים של 1/2 מגה-ביט לשנייה. הפרוטוקול לא התקבל באופן נרחב עקב בעיות יכולת פעולה הדדית, עלות וחוסר תפוקה מספקת.

>> 802.11b standard

מוצרי 802.11b הגיעו לשוק באמצע שנת 1999. קצב הנתונים התיאורטי המרבי שלו הוא 11 מגה-ביט לשנייה והוא משתמש באותה גישת מדיה CSMA/CA כפי שהוגדרה בתקן המקורי. השיפורים הדרמטיים בתפוקה של 802.11b יחד עם הפחתות משמעותיות במחירים הובילו לקבלה נרחבת של 802.11b כטכנולוגיה אלחוטית. 802.11b משתמש בפס התדרים הלא מורשה של ISM של 2.4~2.5 גיגה-הרץ, הוא הרחבה ישירה של DSSS, ומשתמש במפתוח קוד משלים (CCK) כטכנולוגיית המודולציה שלו. 802.11b משמש בתצורות נקודה-לנקודה מרובת-נקודות שבהן נקודת גישה מתקשרת עם לקוחות ניידים בטווח של נקודת הגישה.

טווח זה תלוי בסביבת ה-RF, בהספק המוצא וברגישות המקלט. לתקן 802.11b יש רוחב פס של 22 מגה-הרץ והוא יכול לפעול במהירות של 11 מגה-ביט לשנייה, אך הוא יורד ל-5.5 מגה-ביט לשנייה, ל-2 מגה-ביט לשנייה ול-1 מגה-ביט לשנייה (בחירת קצב אדפטיבית) כדי להפחית את קצבי ההשמעה החוזרת עקב שגיאות [1]. תקן 802.11b חולק את אותו רוחב פס תדרים כמו סטנדרטים אלחוטיים אחרים. לכן, מכשירים אלחוטיים בבית כמו תנורי מיקרוגל, התקני Bluetooth וטלפונים אלחוטיים עלולים לגרום להפרעות ל-Wi-Fi.

>> 802.11a standard

802.11a משתמש באותו פרוטוקול ליבה כמו התקן המקורי, פועל בתדר 5 גיגה-הרץ, משתמש ב-52 תתי-גלאי נושאי מטען אורתוגונליים (OFDM), ובעל קצב נתונים תיאורטי מרבי של 54 מגה-ביט לשנייה, מה שמביא לתפוקה מעשית של 20 מגה-ביט לשנייה. קצבי נתונים אחרים שהוא תומך בהם כוללים 6, 9, 12, 18, 24, 36 ו-48 מגה-ביט לשנייה. 802.11a ו-802.11b אינם פועלים יחד מכיוון שהם פועלים בתחומי ISM שונים ללא רישיון. ככל שתחום ה-2.4 גיגה-הרץ הופך צפוף יותר ויותר, תחום ה-5 גיגה-הרץ מוסיף יתרונות משמעותיים ל-802.11a, אך הטווח האפקטיבי הכולל קטן מ-802.11b/g עקב תדר הגלאי הגבוה.

מוצרי 802.11a לא התקבלו בתחילה באופן נרחב עקב גורמי עלות, כיסוי לקוי וחוסר תאימות עם 802.11b. מתוך 52 תתי-הגלים של OFDM, 48 משמשים לנתונים ו-4 הם תתי-גלים פיילוט, עם מרווח גלים של 312.5 קילוהרץ. כל אחד מתתי-הגלים הללו יכול להיות BPSK, QPSK, 16 QAM או 64 QAM. רוחב פס ערוץ 20 מגה-הרץ, רוחב פס תפוס 16.6 מגה-הרץ; משך סמלים 4 מיקרו-שניות, כולל מרווח הגנה של 0.8 מיקרו-שניות. היתרונות של OFDM כוללים הפחתת אפקטים מרובי נתיבים בקליטה ושיפור יעילות ספקטרלית [2]. טבלה 2 מפרטת את המודולציות השונות הנתמכות על ידי 11a ואת קצבי הנתונים התאורטיים בהתאמה.

לוח 2קצב אפנון וקצב נתונים 802.11a עם מרווח ערוצים של 20 מגה-הרץ

>> 802.11g standard

802.11g הפך לזמין בקיץ 2003. הוא משתמש באותה טכנולוגיית OFDM כמו 802.11a, וכמו 802.11a תומך בקצב תיאורטי מרבי של 54Mbps; אך כמו 802.11b, הוא פועל בתדר 2.4 GHz הצפוף ולכן רגיש להפרעות ולגורמים אחרים. 802.11g תואם לאחור עם 802.11b (כלומר, התקני 802.11b יכולים להתחבר לנקודות גישה 802.11g). 802.11g תואם לנקודות גישה בעלות פס כפול או מצב כפול המשתמשות ב-802.11a ו-802.11b/g.

>> 802.11n standard

הצגת 802.11n הפכה את ה-Wi-Fi למהיר ואמין יותר; התקדמות זו הושגה על ידי הוספת ערוצי MIMO ו-40 מגה-הרץ לשכבה הפיזית (PHY) וצבירת מסגרות לשכבת ה-MAC. MIMO היא שיטה להכפלת הקיבולת של קישור אלחוטי על ידי שימוש באנטנות שידור וקליטה מרובות כדי לנצל את ההתפשטות מרובת הנתיבים. אנטנות אלו צריכות להיות מופרדות מרחבית כך שהאותות מכל אנטנת שידור לכל אנטנת קליטה יהיו בעלי מאפיינים מרחביים שונים, כך שניתן יהיה להפריד זרמים אלו לערוצים עצמאיים מקבילים במקלט.

ניתן להכפיל את רוחבן של ערוצים הפועלים ברוחב פס של 40 מגה-הרץ ולהשיג קצב נתונים PHY כפול בערוץ יחיד של 20 מגה-הרץ. טיוטת 802.11n מאפשרת עד 4 זרמים מרחביים עם תפוקה תיאורטית מקסימלית של 600 מגה-ביט לשנייה.

לערוץ 20 מגה-הרץ יש 56 תתי-גלי OFDM, 52 לנתונים ו-4 לפיילוט, עם מרווח גלים של 312.5 קילו-הרץ. כל אחד מתתי-גלי הגלים הללו יכול להיות BPSK, QPSK, 16 QAM או 64 QAM. משך הסמלים הכולל הוא 3.6 או 4 מיקרו-שניות, כולל מרווח שמירה של 0.4 או 0.8 מיקרו-שניות בהתאמה. טבלה 3 מפרטת את תוכניות המודולציה והקידוד השונות עבור זרם נתונים יחיד (עבור זרמי נתונים מרובים, קצב הנתונים הוא כפולה ממספר הזרמים). 802.11n תומך בצבירת מסגרות, כאשר יחידות נתוני שירות MAC (MSDU) או יחידות נתוני פרוטוקול MAC (MPDU) מרובות ארוזות יחד כדי להפחית את התקורה ולמצע אותה על פני מסגרות מרובות כדי להגדיל את קצבי הנתונים ברמת המשתמש. בנוסף, 802.11n תואם לאחור עם 802.11g, 11b ו-11a[3]. Qorvo הייתה ספקית מובילה של רכיבי 802.11n, כולל מגברי הספק, מגברים בעלי רעש נמוך, מתגים ומודולים משולבים של קצה קדמי (FEM).

לוח 3אפנון 802.11n וקצב נתונים עבור זרם נתונים יחיד

>> 802.11ac standard

802.11ac מאיץ את ה-Wi-Fi על ידי אספקת ג'יגה-ביט לשנייה, על ידי הרחבת קונספט 802.11n כך שיכלול רוחב פס רחב יותר (עד 160 מגה-הרץ), יותר זרמי MIMO מרחביים (עד 8), MIMO מרובי משתמשים בהורדה (עד 4 לקוחות) ואפנון בצפיפות גבוהה (עד 256 QAM). 802.11ac תומך ב-256 QAM בקצבי קוד של 3/4 ו-5/6 (MCS8/9), הדורשים דרישת EVM מחמירה יותר ברמת המערכת של 6 dB (-34 dB). רכיבי ה-11ac של Qorvo עומדים בקלות בדרישות EVM אלו. 802.11ac פועל רק בתחום התדרים של 5 גיגה-הרץ, כך שנקודות גישה ולקוחות בעלי תדר כפול ימשיכו להשתמש ב-802.11n ב-2.4 גיגה-הרץ. גרסאות 802.11ac הראשונות בשנת 2013 תמכו רק בערוצי 80 מגה-הרץ ועד 3 זרמים מרחביים, וסיפקו מהירויות של עד 1300 מגה-ביט לשנייה בשכבה הפיזית. הגל השני של המוצרים (802.11ac גל 2) יצא בשנת 2015 ותומך ביותר קשירת ערוצים, יותר זרמים מרחביים ו-MU-MIMO. MUMIMO הוא התקדמות משמעותית לעומת 802.11ac - בעוד ש-MIMO מנתב זרמים מרובים למשתמש יחיד, MU-MIMO יכול לכוון זרמים מרחביים ללקוחות מרובים בו זמנית, ובכך לשפר את יעילות הרשת. בנוסף, 802.11ac משתמש בטכנולוגיה הנקראת beamforming; ב-beamforming, אנטנה בעצם מקרינה אות רדיו למכשיר ספציפי. נתבים 802.11ac תואמים לאחור עם 802.11b, 11g, 11a ו-11n, מה שאומר שכל הלקוחות מדור קודם יעבדו כהלכה עם נתבים 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 או תקן 802.11ax

802.11ax הוא הדור השישי של Wi-Fi, הבונה על נקודות החוזק של 802.11ac כדי לספק קיבולת ואמינות אלחוטיות גדולות יותר. 802.11ax משיג יתרונות אלה על ידי יישום אפנון צפוף יותר (1024 QAM, OFDMA), צמצום ריווח תת-גלי ​​(78.125 kHz), ובהתבסס על הקצאת משאבים מתוזמנת. שלא כמו 802.11ac, 802.11ax היא טכנולוגיית דו-פס של 2.4 ו-5 GHz והיא מיועדת לתאימות מרבית כדי להתקיים ביעילות עם לקוחות 802.11a/g/n/ac. 802.11ax משתמש ב-OFDMA, המאפשר ליחידות משאבים (RUs) לחלק את רוחב הפס על סמך צרכי הלקוח ולספק את אותה חוויה למשתמשים מרובים במהירויות גבוהות יותר. בכל נקודה נתונה על הגל בכל יחידת נתונים של פרוטוקול PLCP (PPDU) ב-802.11ac, ערוץ ה-Wi-Fi מחולק לקבוצה קטנה יותר של ערוצי משנה של OFDM. עם זאת, עקב OFDMA (802.11ax), כל קבוצת תת-גלים מוקצית ללקוח כיחידת משאבים על בסיס כל PPDU (איור 2).

图 2 השוואה בין הקצאת משאבים של OFDM ו-OFDMA

בגישת CSMA/CA של תקן 802.11 המוקדם, הלקוח האלחוטי חש תחילה את הערוץ ושידר רק כאשר חש שהערוץ אינו פעיל, ובכך ניסה להימנע מהתנגשויות. בעוד ששיטה ברורה זו של הערכה ומניעת התנגשויות שימושית, היא הופכת ללא יעילה כאשר מספר הלקוחות גדל מאוד. פרוטוקול 802.11ax פותר בעיה זו באמצעות OFDMA והקצאת משאבים מבוססת תזמון [5]. נקודות גישה של 802.11ax מכתיבות מתי המכשיר פועל, כך שהוא מטפל בלקוחות בצורה יעילה יותר. תזמון משאבים יכול גם להפחית משמעותית את צריכת החשמל במהלך זמני שינה, ובכך לשפר את חיי הסוללה של הלקוח. טבלה 4 מפרטת את ההבדלים בין פרוטוקולי 802.11ac ו-802.11ax. תיק המוצרים הרחב של Qorvo ל-802.11ax כולל מסנני 2.4 GHz ו-5 GHz (FEM) וגלים אקוסטיים בכמות גדולה (BAW). ה-FEM היעיל באנרגיה של תיק המוצר מקל על העומס התרמי הקשור לתמיכה ב-MIMO במכשירי Wi-Fi, ומאפשר ליצרנים להפחית את גודל המוצר ועלותו. מסנני ה-BAW edgeBoost™ (band edge) ו-coexBoost™ (coexistence) של Qorvo משפרים את איכות שירות ה-Wi-Fi ומונעים הפרעות לתדרי LTE סמוכים.

לוח 4802.11ac vs. 802.11ax

מאמר זה מגיע מ"Qorvo", אם יש הפרה או בעיות אחרות, אנא צרו איתנו קשר כדי למחוק אותה.לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני, אנא ציין את המקור המקורי ואת המחבר בעת הדפסה חוזרת.