L'evoluzione della tecnologia Wi-Fi

Lo standard ha continuato ad evolversi negli ultimi 20 anni con l'introduzione di nuovi protocolli come 802.11n, 802.11ac e 802.11ax (Wi-Fi 6).Il nuovo standard supporta schemi di modulazione di ordine superiore come 64 QAM, 256 QAM e 1024 QAM. Questi nuovi standard supportano la trasmissione simultanea di più flussi di dati a un singolo client o a più client; oltre ad aumentare le velocità di trasmissione dati di picco, si cerca anche di migliorare l'efficienza spettrale, che caratterizza la capacità di un sistema di utilizzare lo spettro disponibile. Per migliorare l'efficienza e la capacità della rete, sono state introdotte tecnologie multiutente come MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) e OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Con il rilascio e l'implementazione dello standard Wi-Fi (802.11), il mondo ha iniziato a cambiare con l'apertura del mercato e l'emergere di nuove tecnologie. Ogni nuovo standard si basa sul precedente, apportando miglioramenti in termini di velocità e affidabilità.

Standard Wi-Fi

Se stai cercando di acquistare un nuovo dispositivo di rete wireless o un dispositivo mobile, potresti sentirti sopraffatto dalla vasta scelta e dalle numerose abbreviazioni. Da quando il Wi-Fi è stato rilasciato per la prima volta ai consumatori nel 1997, i suoi standard hanno continuato a evolversi, spesso con conseguenti velocità superiori e una maggiore efficienza di rete/spettro. Con l'aggiunta di nuove funzionalità allo standard 802.11 originale, sono emersi anche i corrispondenti standard supplementari (802.11b, 802.11g, ecc.). La Tabella 1 elenca i diversi standard e le velocità di trasmissione dati teoriche massime raggiungibili in base a tali standard. Le velocità tipiche saranno inferiori ai valori teorici a causa di una serie di fattori, tra cui l'attenuazione del segnale sulla distanza, la velocità di modulazione e la codifica di correzione degli errori in avanti, la larghezza di banda, i moltiplicatori MIMO, gli intervalli di guardia e i tassi di errore tipici. La famiglia 802.11 è composta da una famiglia di tecnologie di modulazione half-duplex over-the-air che utilizzano lo stesso protocollo di base. In questo articolo, analizzeremo i principi fondamentali di ciascuno standard Wi-Fi.

Tabella 1Cronologia Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

Lo standard 802.11-1997, il primo standard wireless della famiglia, è stato rilasciato nel 1997 ma è ora obsoleto. Questo standard definisce protocolli e interconnessioni compatibili per apparecchiature di comunicazione dati via etere nelle reti locali (LAN) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Protocol) con prevenzione delle collisioni. Il protocollo supporta tre tecnologie di livello fisico, tra cui infrarossi operanti a 1 Mbps, spettro diffuso a salto di frequenza (FHSS) che supporta velocità di trasmissione dati di 1 Mbps e, opzionalmente, di 2 Mbps, e spettro diffuso a sequenza diretta (DSSS) che supporta anch'esso velocità di trasmissione dati di 1/2 Mbps. Il protocollo non ha avuto un'ampia diffusione a causa di problemi di interoperabilità, costi elevati e mancanza di throughput sufficiente.

>> 802.11b standard

I prodotti 802.11b sono arrivati ​​sul mercato a metà del 1999. Hanno una velocità di trasmissione dati teorica massima di 11 Mbps e utilizzano lo stesso accesso al mezzo CSMA/CA definito nello standard originale. I notevoli miglioramenti nella velocità di trasmissione dati dell'802.11b, uniti a significative riduzioni di prezzo, hanno portato a un'ampia accettazione di questa tecnologia wireless. L'802.11b utilizza la banda di frequenza non licenziata ISM da 2.4 a 2.5 GHz, è un'estensione diretta del DSSS e utilizza la modulazione CCK (Complementary Code Keying). L'802.11b viene utilizzato in configurazioni punto-multipunto in cui un punto di accesso comunica con i client mobili entro il suo raggio d'azione.

Questo intervallo dipende dall'ambiente RF, dalla potenza di uscita e dalla sensibilità del ricevitore. Lo standard 802.11b ha una larghezza di banda del canale di 22 MHz e può operare a 11 Mbps, ma si riduce a 5.5 Mbps, a 2 Mbps e a 1 Mbps (selezione adattiva della velocità) per ridurre i tassi di ripetizione dovuti agli errori [1]. Lo standard 802.11b condivide la stessa larghezza di banda di frequenza di altri standard wireless. Pertanto, i dispositivi wireless in casa come forni a microonde, dispositivi Bluetooth e telefoni cordless possono causare interferenze al Wi-Fi.

>> 802.11a standard

Lo standard 802.11a utilizza lo stesso protocollo di base dello standard originale, opera a 5 GHz, impiega 52 sottoportanti con multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) e ha una velocità di trasmissione dati teorica massima di 54 Mbps, che si traduce in una velocità effettiva di 20 Mbps. Altre velocità di trasmissione dati supportate includono 6, 9, 12, 18, 24, 36 e 48 Mbps. Gli standard 802.11a e 802.11b non sono interoperabili perché operano in diverse bande ISM non licenziate. Poiché la banda a 2.4 GHz è sempre più congestionata, la banda a 5 GHz offre vantaggi significativi allo standard 802.11a, ma la portata effettiva complessiva è inferiore rispetto a quella dello standard 802.11b/g a causa dell'elevata frequenza portante.

I prodotti 802.11a inizialmente non furono ampiamente accettati a causa dei costi elevati, della scarsa copertura e dell'incompatibilità con lo standard 802.11b. Delle 52 sottoportanti OFDM, 48 sono utilizzate per i dati e 4 sono sottoportanti pilota, con spaziatura tra portanti di 312.5 kHz. Ciascuna di queste sottoportanti può essere BPSK, QPSK, 16 QAM o 64 QAM. Larghezza di banda del canale 20 MHz, larghezza di banda occupata 16.6 MHz; durata del simbolo 4 microsecondi, incluso un intervallo di guardia di 0.8 microsecondi. I vantaggi dell'OFDM includono la riduzione degli effetti multipath in ricezione e il miglioramento dell'efficienza spettrale [2]. La Tabella 2 elenca le diverse modulazioni supportate dallo standard 11a e le rispettive velocità di trasmissione dati teoriche.

Tabella 2Frequenza di modulazione e velocità di trasmissione dati 802.11a con spaziatura dei canali di 20 MHz.

>> 802.11g standard

Lo standard 802.11g è diventato disponibile nell'estate del 2003. Utilizza la stessa tecnologia OFDM dello standard 802.11a e, come quest'ultimo, supporta una velocità teorica massima di 54 Mbps; tuttavia, come lo standard 802.11b, opera sulla banda congestionata dei 2.4 GHz ed è quindi soggetto a interferenze e altri fattori. Lo standard 802.11g è retrocompatibile con lo standard 802.11b (ovvero, i dispositivi 802.11b possono connettersi agli access point 802.11g). Lo standard 802.11g è compatibile con gli access point dual-band o dual-mode che utilizzano gli standard 802.11a e 802.11b/g.

>> 802.11n standard

L'introduzione dello standard 802.11n ha reso il Wi-Fi più veloce e affidabile; questo progresso è stato ottenuto aggiungendo la tecnologia MIMO e i canali a 40 MHz al livello fisico (PHY) e l'aggregazione di frame al livello MAC. Il MIMO è un metodo per raddoppiare la capacità di un collegamento wireless utilizzando più antenne di trasmissione e ricezione per sfruttare la propagazione multipath. Queste antenne devono essere spazialmente separate in modo che i segnali provenienti da ciascuna antenna di trasmissione e diretti a ciascuna antenna di ricezione abbiano caratteristiche spaziali diverse, permettendo così di separare questi flussi in canali paralleli indipendenti al ricevitore.

I canali che operano a una larghezza di banda di 40 MHz possono essere raddoppiati in larghezza e raggiungere il doppio della velocità di trasmissione dati PHY su un singolo canale da 20 MHz. La bozza dello standard 802.11n consente fino a 4 flussi spaziali con una velocità di trasmissione teorica massima di 600 Mbps.

Il canale a 20 MHz ha 56 sottoportanti OFDM, 52 per i dati e 4 per il pilota, con spaziatura tra le portanti di 312.5 kHz. Ciascuna di queste sottoportanti può essere BPSK, QPSK, 16 QAM o 64 QAM. La durata totale del simbolo è di 3.6 o 4 microsecondi, incluso un intervallo di guardia di 0.4 o 0.8 microsecondi rispettivamente. La Tabella 3 elenca i diversi schemi di modulazione e codifica per un singolo flusso di dati (per flussi di dati multipli, la velocità dei dati è un multiplo del numero di flussi). Lo standard 802.11n supporta l'aggregazione di frame, in cui più unità dati di servizio MAC (MSDU) o unità dati di protocollo MAC (MPDU) vengono raggruppate per ridurre l'overhead e calcolarne la media su più frame per aumentare la velocità dei dati a livello utente. Inoltre, lo standard 802.11n è retrocompatibile con gli standard 802.11g, 11b e 11a[3]. Qorvo è un fornitore leader di componenti 802.11n, tra cui amplificatori di potenza, amplificatori a basso rumore, switch e moduli front-end integrati (FEM).

Tabella 3Modulazione 802.11n e velocità di trasmissione dati per un singolo flusso di dati

>> 802.11ac standard

Lo standard 802.11ac velocizza il Wi-Fi offrendo gigabit al secondo, estendendo il concetto 802.11n per includere una larghezza di banda maggiore (fino a 160 MHz), più flussi spaziali MIMO (fino a 8), MIMO multiutente in downlink (fino a 4 client) e modulazione ad alta densità (fino a 256 QAM). L'802.11ac supporta 256 QAM a velocità di codifica 3/4 e 5/6 (MCS8/9), il che richiede un requisito EVM a livello di sistema più stringente di 6 dB (-34 dB). I componenti 11ac di Qorvo soddisfano facilmente questi requisiti EVM. L'802.11ac opera solo nella banda a 5 GHz, quindi gli access point e i client dual-band continueranno a utilizzare l'802.11n a 2.4 GHz. Le prime versioni dello standard 802.11ac, rilasciate nel 2013, supportavano solo canali a 80 MHz e fino a 3 flussi spaziali, offrendo velocità fino a 1300 Mbps a livello fisico. La seconda generazione di prodotti (802.11ac Wave 2), rilasciata nel 2015, supporta un maggior numero di canali aggregati, più flussi spaziali e la tecnologia MU-MIMO. Il MU-MIMO rappresenta un importante passo avanti rispetto allo standard 802.11ac: mentre il MIMO indirizza più flussi a un singolo utente, il MU-MIMO può indirizzare flussi spaziali a più client contemporaneamente, migliorando l'efficienza della rete. Inoltre, lo standard 802.11ac utilizza una tecnologia chiamata beamforming; con il beamforming, un'antenna indirizza un segnale radio verso un dispositivo specifico. I router 802.11ac sono retrocompatibili con gli standard 802.11b, 11g, 11a e 11n, il che significa che tutti i client legacy funzioneranno correttamente con i router 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 Standard 802.11ax

Lo standard 802.11ax è la sesta generazione di Wi-Fi che si basa sui punti di forza dello standard 802.11ac per offrire maggiore capacità e affidabilità wireless. L'802.11ax raggiunge questi vantaggi applicando una modulazione più densa (1024 QAM, OFDMA), riducendo la spaziatura tra le sottoportanti (78.125 kHz) e basandosi su un'allocazione programmata delle risorse. A differenza dell'802.11ac, l'802.11ax è una tecnologia dual-band a 2.4 e 5 GHz ed è progettato per la massima compatibilità, in modo da coesistere efficacemente con i client 802.11a/g/n/ac. L'802.11ax utilizza l'OFDMA, che consente alle unità di risorse (RU) di suddividere la larghezza di banda in base alle esigenze dei client e di offrire la stessa esperienza a più utenti a velocità superiori. In ogni punto della portante, in ciascuna unità dati del protocollo PLCP (PPDU) dello standard 802.11ac, il canale Wi-Fi viene suddiviso in un insieme più piccolo di sottocanali OFDM. Tuttavia, grazie all'OFDMA (802.11ax), ogni gruppo di sottoportanti viene assegnato al client come unità di risorsa per ogni PPDU (Figura 2).

图 2 Confronto tra l'allocazione delle risorse OFDM e OFDMA

Nell'approccio CSMA/CA del primo standard 802.11, il client wireless rilevava prima il canale e trasmetteva solo quando lo trovava libero, cercando così di evitare collisioni. Sebbene questo metodo chiaro di valutazione ed evitamento dei conflitti sia utile, diventa inefficiente quando il numero di client diventa molto elevato. Il protocollo 802.11ax risolve questo problema tramite OFDMA e allocazione delle risorse basata sulla pianificazione [5]. Gli access point 802.11ax determinano quando il dispositivo è operativo, gestendo così i client in modo più efficiente. La pianificazione delle risorse può anche ridurre significativamente il consumo energetico durante i periodi di sospensione, migliorando così la durata della batteria del client. La Tabella 4 elenca le differenze tra i protocolli 802.11ac e 802.11ax. L'ampio portfolio di prodotti 802.11ax di Qorvo include filtri a 2.4 GHz e 5 GHz (FEM) e filtri ad onde acustiche di massa (BAW). Il modulo FEM a basso consumo energetico del portfolio riduce il carico termico associato al supporto MIMO nei dispositivi Wi-Fi, consentendo ai produttori di ridurre dimensioni e costi dei prodotti. I filtri BAW edgeBoost™ (band edge) e coexBoost™ (coesistenza) di Qorvo migliorano la qualità del servizio Wi-Fi e prevengono le interferenze con le frequenze LTE adiacenti.

Tabella 4802.11ac vs. 802.11ax

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