वाई-फाई प्रौद्योगिकी का विकास

पिछले 20 वर्षों में 802.11n, 802.11ac और 802.11ax (वाई-फाई 6) जैसे नए प्रोटोकॉल पेश करके इस मानक का लगातार विकास हुआ है।नया मानक 64 QAM, 256 QAM और 1024 QAM जैसी उच्च-स्तरीय मॉड्यूलेशन योजनाओं का समर्थन करता है। ये नए मानक एक या एक से अधिक क्लाइंट को एक साथ कई डेटा स्ट्रीम भेजने में सक्षम हैं; पीक डेटा दरों को बढ़ाने के साथ-साथ, स्पेक्ट्रल दक्षता को भी बेहतर बनाने का प्रयास किया जा रहा है, जो यह दर्शाता है कि कोई सिस्टम उपलब्ध स्पेक्ट्रम का कितना अच्छा उपयोग करता है। नेटवर्क दक्षता और नेटवर्क क्षमता को बेहतर बनाने के लिए, मल्टी-यूज़र मल्टीपल इनपुट मल्टीपल आउटपुट (MU-MIMO) और ऑर्थोगोनल फ़्रीक्वेंसी डिवीज़न मल्टीपल एक्सेस (OFDMA) जैसी मल्टी-यूज़र तकनीकों को पेश किया गया है। वाई-फ़ाई (802.11) मानक के जारी और लागू होने के बाद, बाज़ार खुलने और नई तकनीकों के उभरने से दुनिया में बदलाव आना शुरू हो गया। प्रत्येक नया मानक गति और विश्वसनीयता में सुधार के साथ पिछले मानक पर आधारित होता है।

वाई-फ़ाई मानक

यदि आप कोई नया वायरलेस नेटवर्क डिवाइस या मोबाइल डिवाइस खरीदने की सोच रहे हैं, तो ढेर सारे विकल्पों और संक्षिप्त नामों को देखकर आप भ्रमित हो सकते हैं। 1997 में वाई-फाई के पहली बार उपभोक्ताओं के लिए उपलब्ध होने के बाद से, इसके मानक लगातार विकसित होते रहे हैं, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर तेज़ गति और बेहतर नेटवर्क/स्पेक्ट्रम दक्षता प्राप्त होती है। मूल 802.11 मानक में अधिक सुविधाएँ जोड़े जाने के साथ-साथ, इसके संबंधित पूरक मानक (802.11b, 802.11g, आदि) भी प्रचलन में आए। तालिका 1 में विभिन्न मानकों और इन मानकों के आधार पर प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम सैद्धांतिक डेटा दरों को सूचीबद्ध किया गया है। दूरी के साथ सिग्नल क्षीणन, मॉड्यूलेशन दर और फॉरवर्ड एरर करेक्शन कोडिंग, बैंडविड्थ, MIMO मल्टीप्लायर, गार्ड अंतराल और सामान्य त्रुटि दर सहित विभिन्न कारकों के कारण सामान्य दरें सैद्धांतिक मानों से कम होंगी। 802.11 परिवार में हाफ-डुप्लेक्स ओवर-द-एयर मॉड्यूलेशन तकनीकों का एक समूह शामिल है जो समान मूल प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं। इस लेख में, हम प्रत्येक वाई-फाई मानक की मूल बातों पर चर्चा करेंगे।

टेबल 1वाई-फाई इतिहास

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997, इस श्रेणी का पहला वायरलेस मानक, 1997 में जारी किया गया था, लेकिन अब अप्रचलित हो चुका है। यह मानक कैरियर सेंस मल्टीपल एक्सेस प्रोटोकॉल (CSMA/CA) लोकल एरिया नेटवर्क (LAN) में टकराव से बचाव के साथ ओवर-द-एयर डेटा संचार उपकरणों के लिए प्रोटोकॉल और संगत इंटरकनेक्शन को परिभाषित करता है। यह प्रोटोकॉल तीन भौतिक परत प्रौद्योगिकियों का समर्थन करता है, जिनमें 1 Mbps पर संचालित इन्फ्रारेड, 1 Mbps और वैकल्पिक 2 Mbps डेटा दरों का समर्थन करने वाला फ़्रीक्वेंसी-हॉपिंग स्प्रेड स्पेक्ट्रम (FHSS), और 1/2 Mbps डेटा दरों का समर्थन करने वाला डायरेक्ट सीक्वेंस स्प्रेड स्पेक्ट्रम (DSSS) शामिल हैं। अंतरसंचालनीयता संबंधी समस्याओं, लागत और पर्याप्त थ्रूपुट की कमी के कारण यह प्रोटोकॉल व्यापक रूप से स्वीकार नहीं किया गया।

>> 802.11b standard

802.11b उत्पाद 1999 के मध्य में बाजार में आए। इसकी अधिकतम सैद्धांतिक डेटा दर 11 एमबीपीएस है और यह मूल मानक में परिभाषित CSMA/CA मीडिया एक्सेस का ही उपयोग करता है। 802.11b की थ्रूपुट में उल्लेखनीय सुधार और कीमतों में भारी कमी के कारण वायरलेस तकनीक के रूप में इसे व्यापक स्वीकृति मिली है। 802.11b, ISM के 2.4~2.5 GHz के अनधिकृत आवृत्ति बैंड का उपयोग करता है, DSSS का सीधा विस्तार है, और मॉड्यूलेशन तकनीक के रूप में कॉम्प्लीमेंट्री कोड कीइंग (CCK) का उपयोग करता है। 802.11b का उपयोग पॉइंट-टू-मल्टीपॉइंट कॉन्फ़िगरेशन में किया जाता है, जहां एक एक्सेस प्वाइंट अपनी सीमा के भीतर मोबाइल क्लाइंट्स के साथ संचार करता है।

यह रेंज आरएफ वातावरण, आउटपुट पावर और रिसीवर संवेदनशीलता पर निर्भर करती है। 802.11b में 22 मेगाहर्ट्ज चैनल बैंडविड्थ है और यह 11 एमबीपीएस पर काम कर सकता है, लेकिन त्रुटियों के कारण रिप्ले दरों को कम करने के लिए इसे 5.5 एमबीपीएस, 2 एमबीपीएस और 1 एमबीपीएस (अनुकूली दर चयन) तक कम किया जा सकता है [1]। 802.11b मानक अन्य वायरलेस मानकों के समान आवृत्ति बैंडविड्थ साझा करता है। इसलिए, घर में माइक्रोवेव ओवन, ब्लूटूथ डिवाइस और कॉर्डलेस फोन जैसे वायरलेस उपकरण वाई-फाई में हस्तक्षेप कर सकते हैं।

>> 802.11a standard

802.11a मूल मानक के समान कोर प्रोटोकॉल का उपयोग करता है, 5 GHz पर संचालित होता है, 52 सबकैरियर ऑर्थोगोनल फ़्रीक्वेंसी डिवीज़न मल्टीप्लेक्सिंग (OFDM) का उपयोग करता है, और इसकी अधिकतम सैद्धांतिक डेटा दर 54 Mbps है, जिसके परिणामस्वरूप व्यावहारिक थ्रूपुट 20 Mbps होता है। यह 6, 9, 12, 18, 24, 36 और 48 Mbps की अन्य डेटा दरों का भी समर्थन करता है। 802.11a और 802.11b परस्पर क्रिया नहीं करते क्योंकि वे अलग-अलग गैर-लाइसेंस प्राप्त ISM बैंड में संचालित होते हैं। जैसे-जैसे 2.4 GHz बैंड में भीड़ बढ़ती जा रही है, 5 GHz बैंड 802.11a को महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है, लेकिन उच्च कैरियर आवृत्ति के कारण समग्र प्रभावी रेंज 802.11b/g से कम है।

802.11a उत्पाद शुरू में लागत, कम कवरेज और 802.11b के साथ असंगतता के कारण व्यापक रूप से स्वीकार नहीं किए गए थे। 52 OFDM सबकैरियर में से 48 डेटा के लिए और 4 पायलट सबकैरियर के रूप में उपयोग किए जाते हैं, जिनका कैरियर स्पेसिंग 312.5 kHz है। इनमें से प्रत्येक सबकैरियर BPSK, QPSK, 16 QAM या 64 QAM हो सकता है। चैनल बैंडविड्थ 20 MHz, ऑक्यूपाइड बैंडविड्थ 16.6 MHz; सिंबल ड्यूरेशन 4 माइक्रोसेकंड, जिसमें 0.8 माइक्रोसेकंड का गार्ड इंटरवल शामिल है। OFDM के लाभों में रिसेप्शन में मल्टीपाथ प्रभावों को कम करना और स्पेक्ट्रल दक्षता में सुधार करना शामिल है [2]। तालिका 2 में 11a द्वारा समर्थित विभिन्न मॉड्यूलेशन और उनकी संबंधित सैद्धांतिक डेटा दरें सूचीबद्ध हैं।

टेबल 220 मेगाहर्ट्ज चैनल स्पेसिंग के साथ 802.11a मॉड्यूलेशन दर और डेटा दर

>> 802.11g standard

802.11g 2003 की गर्मियों में उपलब्ध हुआ। यह 802.11a के समान OFDM तकनीक का उपयोग करता है और 802.11a की तरह ही 54Mbps की अधिकतम सैद्धांतिक गति का समर्थन करता है; लेकिन 802.11b की तरह, यह भीड़भाड़ वाले 2.4 GHz फ़्रीक्वेंसी पर काम करता है और इसलिए हस्तक्षेप और अन्य कारकों के प्रति संवेदनशील है। 802.11g, 802.11b के साथ बैकवर्ड कम्पैटिबल है (अर्थात, 802.11b डिवाइस 802.11g एक्सेस पॉइंट से कनेक्ट हो सकते हैं)। 802.11g, 802.11a और 802.11b/g का उपयोग करने वाले डुअल-बैंड या डुअल-मोड एक्सेस पॉइंट के साथ कम्पैटिबल है।

>> 802.11n standard

802.11n के आने से वाई-फाई तेज़ और अधिक विश्वसनीय हो गया; यह सुधार फिजिकल लेयर (PHY) में MIMO और 40 MHz चैनल जोड़ने और MAC लेयर में फ्रेम एग्रीगेशन जोड़ने से संभव हुआ। MIMO एक ऐसी विधि है जिससे मल्टीपाथ प्रोपेगेशन का लाभ उठाने के लिए कई ट्रांसमिट और रिसीव एंटेना का उपयोग करके वायरलेस लिंक की क्षमता को दोगुना किया जा सकता है। इन एंटेना को स्थानिक रूप से अलग-अलग रखना आवश्यक है ताकि प्रत्येक ट्रांसमिट एंटेना से प्रत्येक रिसीव एंटेना तक के सिग्नलों की स्थानिक विशेषताएँ भिन्न हों, जिससे रिसीवर पर इन स्ट्रीम को समानांतर स्वतंत्र चैनलों में अलग किया जा सके।

40 मेगाहर्ट्ज बैंडविड्थ पर संचालित होने वाले चैनलों की चौड़ाई दोगुनी की जा सकती है और वे एक ही 20 मेगाहर्ट्ज चैनल पर PHY डेटा दर से दोगुनी डेटा दर प्राप्त कर सकते हैं। 802.11n ड्राफ्ट अधिकतम 600 एमबीपीएस के सैद्धांतिक थ्रूपुट के साथ 4 स्थानिक स्ट्रीम तक की अनुमति देता है।

20 मेगाहर्ट्ज चैनल में 56 OFDM सबकैरियर होते हैं, जिनमें से 52 डेटा के लिए और 4 पायलट के लिए होते हैं, और कैरियर स्पेसिंग 312.5 किलोहर्ट्ज होती है। इनमें से प्रत्येक सबकैरियर BPSK, QPSK, 16 QAM या 64 QAM हो सकता है। कुल सिंबल अवधि 3.6 या 4 माइक्रोसेकंड होती है, जिसमें क्रमशः 0.4 या 0.8 माइक्रोसेकंड का गार्ड अंतराल शामिल होता है। तालिका 3 एक डेटा स्ट्रीम के लिए विभिन्न मॉड्यूलेशन और कोडिंग योजनाओं को सूचीबद्ध करती है (एकाधिक डेटा स्ट्रीम के लिए, डेटा दर स्ट्रीम की संख्या का गुणक होती है)। 802.11n फ्रेम एग्रीगेशन का समर्थन करता है, जहां ओवरहेड को कम करने और उपयोगकर्ता-स्तर की डेटा दरों को बढ़ाने के लिए कई MAC सर्विस डेटा यूनिट (MSDU) या MAC प्रोटोकॉल डेटा यूनिट (MPDU) को एक साथ पैक किया जाता है और इसे कई फ्रेमों पर औसत किया जाता है। इसके अतिरिक्त, 802.11n, 802.11g, 11b और 11a[3] के साथ बैकवर्ड कम्पैटिबल है। कोरवो पावर एम्पलीफायर, लो-नॉइज़ एम्पलीफायर, स्विच और इंटीग्रेटेड फ्रंट-एंड मॉड्यूल (एफईएम) सहित 802.11n घटकों का एक प्रमुख आपूर्तिकर्ता रहा है।

टेबल 3एकल डेटा स्ट्रीम के लिए 802.11n मॉड्यूलेशन और डेटा दर

>> 802.11ac standard

802.11ac, 802.11n की अवधारणा को विस्तारित करके प्रति सेकंड गीगाबिट्स की गति प्रदान करते हुए वाई-फाई की गति को बढ़ाता है। इसमें व्यापक बैंडविड्थ (160 मेगाहर्ट्ज तक), अधिक MIMO स्थानिक स्ट्रीम (8 तक), डाउनलिंक मल्टी-यूज़र MIMO (4 क्लाइंट तक) और उच्च-घनत्व मॉड्यूलेशन (256 QAM तक) शामिल हैं। 802.11ac 3/4, 5/6 कोड दरों (MCS8/9) पर 256 QAM का समर्थन करता है, जिसके लिए 6 dB सिस्टम-स्तरीय EVM (-34 dB) की अधिक सख्त आवश्यकता होती है। Qorvo के 11ac घटक इन EVM आवश्यकताओं को आसानी से पूरा करते हैं। 802.11ac केवल 5 GHz बैंड में काम करता है, इसलिए डुअल-बैंड एक्सेस पॉइंट और क्लाइंट 2.4 GHz पर 802.11n का उपयोग करना जारी रखेंगे। 2013 में जारी किए गए पहले 802.11ac संस्करणों में केवल 80 मेगाहर्ट्ज चैनल और अधिकतम 3 स्थानिक स्ट्रीम का समर्थन था, जो भौतिक परत पर 1300 एमबीपीएस तक की गति प्रदान करते थे। उत्पादों की दूसरी लहर (802.11ac वेव 2) 2015 में जारी की गई और यह अधिक चैनल बॉन्डिंग, अधिक स्थानिक स्ट्रीम और MU-MIMO का समर्थन करती है। MU-MIMO, 802.11ac की तुलना में एक महत्वपूर्ण उन्नति है - जबकि MIMO कई स्ट्रीम को एक ही उपयोगकर्ता तक पहुंचाता है, MU-MIMO स्थानिक स्ट्रीम को एक साथ कई क्लाइंट तक पहुंचा सकता है, जिससे नेटवर्क की दक्षता में सुधार होता है। इसके अतिरिक्त, 802.11ac बीमफॉर्मिंग नामक तकनीक का उपयोग करता है; बीमफॉर्मिंग में, एक एंटीना मूल रूप से एक रेडियो सिग्नल को एक विशिष्ट डिवाइस तक बीम करता है। 802.11ac राउटर 802.11b, 11g, 11a और 11n के साथ बैकवर्ड संगत हैं, जिसका अर्थ है कि सभी पुराने क्लाइंट 802.11ac राउटर के साथ सही ढंग से काम करेंगे[4]।

>>Wi-Fi 6 或 802.11ax मानक है

802.11ax वाई-फाई की छठी पीढ़ी है जो 802.11ac की खूबियों पर आधारित है और बेहतर वायरलेस क्षमता और विश्वसनीयता प्रदान करती है। 802.11ax सघन मॉड्यूलेशन (1024 QAM, OFDMA) का उपयोग करके, सबकैरियर स्पेसिंग (78.125 kHz) को कम करके और निर्धारित संसाधन आवंटन के आधार पर ये लाभ प्राप्त करती है। 802.11ac के विपरीत, 802.11ax 2.4 और 5 GHz की दोहरी बैंड तकनीक है और इसे 802.11a/g/n/ac क्लाइंट के साथ कुशलतापूर्वक सह-अस्तित्व के लिए अधिकतम अनुकूलता के साथ डिज़ाइन किया गया है। 802.11ax OFDMA का उपयोग करती है, जो संसाधन इकाइयों (RU) को क्लाइंट की आवश्यकताओं के आधार पर बैंडविड्थ को विभाजित करने और कई उपयोगकर्ताओं को तेज़ गति से समान अनुभव प्रदान करने की अनुमति देती है। 802.11ac में प्रत्येक PLCP प्रोटोकॉल डेटा यूनिट (PPDU) में कैरियर पर किसी भी बिंदु पर, वाई-फाई चैनल को OFDM उप-चैनलों के एक छोटे समूह में विभाजित किया जाता है। हालाँकि, OFDMA (802.11ax) के कारण, प्रत्येक सबकैरियर समूह को प्रति PPDU आधार पर एक संसाधन इकाई के रूप में क्लाइंट को आवंटित किया जाता है (चित्र 2)।

图 2 OFDM और OFDMA संसाधन आवंटन की तुलना

प्रारंभिक 802.11 मानक के CSMA/CA दृष्टिकोण में, वायरलेस क्लाइंट पहले चैनल को सेंस करता था और चैनल के खाली होने पर ही ट्रांसमिट करता था, जिससे टकराव से बचा जा सके। हालांकि टकराव का मूल्यांकन और उससे बचने का यह स्पष्ट तरीका उपयोगी है, लेकिन क्लाइंट की संख्या बहुत अधिक होने पर यह अप्रभावी हो जाता है। 802.11ax प्रोटोकॉल OFDMA और शेड्यूलिंग-आधारित संसाधन आवंटन [5] के माध्यम से इस समस्या का समाधान करता है। 802.11ax एक्सेस पॉइंट यह निर्धारित करते हैं कि डिवाइस कब काम करेगा, इसलिए यह क्लाइंट को अधिक कुशलता से संभालता है। संसाधन शेड्यूलिंग स्लीप टाइम के दौरान बिजली की खपत को भी काफी कम कर सकता है, जिससे क्लाइंट की बैटरी लाइफ बेहतर होती है। तालिका 4 में 802.11ac और 802.11ax प्रोटोकॉल के बीच अंतर सूचीबद्ध हैं। Qorvo के व्यापक 802.11ax उत्पाद पोर्टफोलियो में 2.4 GHz और 5 GHz (FEM) और बल्क एकॉस्टिक वेव (BAW) फिल्टर शामिल हैं। पोर्टफोलियो का ऊर्जा-कुशल FEM वाई-फाई उपकरणों में MIMO सपोर्ट से जुड़े थर्मल बोझ को कम करता है, जिससे निर्माता उत्पाद का आकार और लागत कम कर सकते हैं। Qorvo के edgeBoostTM (बैंड एज) और coexBoostTM (सह-अस्तित्व) BAW फ़िल्टर वाई-फाई सेवा की गुणवत्ता में सुधार करते हैं और आस-पास की LTE आवृत्तियों में हस्तक्षेप को रोकते हैं।

टेबल 4802.11ac vs. 802.11ax

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