De evolutie van Wi-Fi-technologie

De standaard is de afgelopen 20 jaar blijven evolueren door de introductie van nieuwe protocollen zoals 802.11n, 802.11ac en 802.11ax (Wi-Fi 6).De nieuwe standaard ondersteunt modulatieschema's van hogere orde, zoals 64 QAM, 256 QAM en 1024 QAM. Deze nieuwe standaarden maken de gelijktijdige verzending van meerdere datastromen naar één of meerdere clients mogelijk. Naast het verhogen van de pieksnelheden wordt er ook gewerkt aan het verbeteren van de spectrale efficiëntie, die aangeeft hoe goed een systeem het beschikbare spectrum benut. Om de netwerkefficiëntie en -capaciteit te verbeteren, zijn multi-user technologieën zoals Multi-User Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO) en Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) geïntroduceerd. Nadat de Wi-Fi (802.11) standaard was uitgebracht en geïmplementeerd, begon de wereld te veranderen. De markt opende zich en er ontstonden nieuwe technologieën. Elke nieuwe standaard bouwt voort op de vorige, met verbeteringen in snelheid en betrouwbaarheid.

Wi-Fi-normen

Als u een nieuw draadloos netwerkapparaat of mobiel apparaat wilt kopen, kunt u overweldigd raken door de vele keuzes en afkortingen. Sinds Wi-Fi in 1997 voor het eerst beschikbaar kwam voor consumenten, zijn de standaarden ervan continu geëvolueerd, wat vaak heeft geleid tot hogere snelheden en een grotere netwerk-/spectrumefficiëntie. Naarmate er meer functies werden toegevoegd aan de oorspronkelijke 802.11-standaard, werden ook de bijbehorende aanvullende standaarden (802.11b, 802.11g, enz.) bekend. Tabel 1 geeft een overzicht van de verschillende standaarden en de maximaal theoretisch haalbare datasnelheden op basis van deze standaarden. De werkelijke snelheden zullen lager liggen dan de theoretische waarden vanwege diverse factoren, waaronder signaalverzwakking over afstand, modulatiesnelheid en forward error correction-codering, bandbreedte, MIMO-multipliers, guard intervals en typische foutpercentages. De 802.11-familie bestaat uit een reeks half-duplex over-the-air modulatietechnologieën die hetzelfde basisprotocol gebruiken. In dit artikel bespreken we de basisprincipes van elke Wi-Fi-standaard.

Tabel 1Wi-Fi-geschiedenis

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997, de eerste draadloze standaard in de reeks, werd uitgebracht in 1997, maar is inmiddels verouderd. Deze standaard definieert protocollen en compatibele interconnecties voor draadloze datacommunicatieapparatuur in Carrier Sense Multiple Access Protocol (CSMA/CA) lokale netwerken (LAN's) met botsingspreventie. Het protocol ondersteunt drie fysieke laagtechnologieën, waaronder infrarood met een snelheid van 1 Mbps, Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) met een snelheid van 1 Mbps en optioneel 2 Mbps, en Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) met een snelheid van 1/2 Mbps. Het protocol werd niet breed geaccepteerd vanwege interoperabiliteitsproblemen, de kosten en een gebrek aan voldoende doorvoer.

>> 802.11b standard

802.11b-producten kwamen medio 1999 op de markt. Het heeft een maximale theoretische datasnelheid van 11 Mbps en maakt gebruik van dezelfde CSMA/CA-mediatoegang als gedefinieerd in de oorspronkelijke standaard. De dramatische verbeteringen in de doorvoersnelheid van 802.11b, in combinatie met aanzienlijke prijsverlagingen, hebben geleid tot een brede acceptatie van 802.11b als draadloze technologie. 802.11b gebruikt de ISM-licentievrije frequentieband van 2.4 tot 2.5 GHz, is een directe uitbreiding van DSSS en gebruikt Complementary Code Keying (CCK) als modulatietechnologie. 802.11b wordt gebruikt in point-to-multipoint-configuraties, waarbij een access point communiceert met mobiele clients binnen het bereik van het access point.

Dit bereik is afhankelijk van de RF-omgeving, het uitgangsvermogen en de gevoeligheid van de ontvanger. 802.11b heeft een kanaalbandbreedte van 22 MHz en kan werken met 11 Mbps, maar schaalt terug naar 5.5 Mbps, naar 2 Mbps en naar 1 Mbps (adaptieve snelheidsselectie) om de herhalingsfrequentie als gevolg van fouten te verminderen [1]. De 802.11b-standaard deelt dezelfde frequentiebandbreedte als andere draadloze standaarden. Daarom kunnen draadloze apparaten in huis, zoals magnetrons, Bluetooth-apparaten en draadloze telefoons, interferentie veroorzaken met Wi-Fi.

>> 802.11a standard

802.11a gebruikt hetzelfde kernprotocol als de oorspronkelijke standaard, werkt op 5 GHz, maakt gebruik van 52 subcarriers Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) en heeft een maximale theoretische datasnelheid van 54 Mbps, wat resulteert in een praktische doorvoer van 20 Mbps. Andere ondersteunde datasnelheden zijn 6, 9, 12, 18, 24, 36 en 48 Mbps. 802.11a en 802.11b zijn niet compatibel omdat ze in verschillende licentievrije ISM-banden werken. Naarmate de 2.4 GHz-band steeds drukker wordt, biedt de 5 GHz-band aanzienlijke voordelen voor 802.11a, maar het algehele effectieve bereik is kleiner dan dat van 802.11b/g vanwege de hoge draaggolffrequentie.

802.11a-producten werden aanvankelijk niet breed geaccepteerd vanwege kostenfactoren, beperkte dekking en incompatibiliteit met 802.11b. Van de 52 OFDM-subdragers worden er 48 gebruikt voor data en 4 als pilotsubdragers, met een draaggolfafstand van 312.5 kHz. Elk van deze subdragers kan BPSK, QPSK, 16 QAM of 64 QAM zijn. De kanaalbandbreedte bedraagt ​​20 MHz, de bezette bandbreedte 16.6 MHz; de symboolduur is 4 microseconden, inclusief een guardinterval van 0.8 microseconden. De voordelen van OFDM zijn onder andere het verminderen van multipath-effecten bij ontvangst en het verbeteren van de spectrale efficiëntie [2]. Tabel 2 geeft een overzicht van de verschillende modulaties die door 11a worden ondersteund en hun respectievelijke theoretische datasnelheden.

Tabel 2802.11a modulatiesnelheid en datasnelheid met een kanaalafstand van 20 MHz

>> 802.11g standard

802.11g werd in de zomer van 2003 beschikbaar. Het maakt gebruik van dezelfde OFDM-technologie als 802.11a en ondersteunt, net als 802.11a, een maximale theoretische snelheid van 54 Mbps; maar net als 802.11b werkt het op de drukke 2.4 GHz-band en is het daardoor gevoelig voor interferentie en andere factoren. 802.11g is achterwaarts compatibel met 802.11b (dat wil zeggen dat 802.11b-apparaten verbinding kunnen maken met 802.11g-toegangspunten). 802.11g is compatibel met dual-band of dual-mode toegangspunten die 802.11a en 802.11b/g gebruiken.

>> 802.11n standard

De introductie van 802.11n maakte Wi-Fi sneller en betrouwbaarder; deze verbetering werd bereikt door MIMO en 40 MHz-kanalen toe te voegen aan de fysieke laag (PHY) en frame-aggregatie aan de MAC-laag. MIMO is een methode om de capaciteit van een draadloze verbinding te verdubbelen door meerdere zend- en ontvangstantennes te gebruiken om te profiteren van meerpadpropagatie. Deze antennes moeten ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn, zodat de signalen van elke zendantenne naar elke ontvangstantenne verschillende ruimtelijke kenmerken hebben, waardoor deze streams bij de ontvanger kunnen worden gescheiden in parallelle, onafhankelijke kanalen.

Kanalen met een bandbreedte van 40 MHz kunnen in breedte worden verdubbeld en een dubbele PHY-datasnelheid behalen op een enkel 20 MHz-kanaal. Het 802.11n-concept staat maximaal 4 ruimtelijke streams toe met een maximale theoretische doorvoer van 600 Mbps.

Het 20 MHz-kanaal heeft 56 OFDM-subdragers, 52 voor data en 4 voor pilot, met een draaggolfafstand van 312.5 kHz. Elk van deze subdragers kan BPSK, QPSK, 16 QAM of 64 QAM zijn. De totale symboolduur is 3.6 of 4 microseconden, inclusief een guard-interval van respectievelijk 0.4 of 0.8 microseconden. Tabel 3 geeft een overzicht van de verschillende modulatie- en coderingsschema's voor één enkele datastroom (voor meerdere datastromen is de datasnelheid een veelvoud van het aantal stromen). 802.11n ondersteunt frame-aggregatie, waarbij meerdere MAC Service Data Units (MSDU) of MAC Protocol Data Units (MPDU) worden samengevoegd om de overhead te verminderen en deze te middelen over meerdere frames om de datasnelheid op gebruikersniveau te verhogen. Bovendien is 802.11n achterwaarts compatibel met 802.11g, 11b en 11a[3]. Qorvo is een toonaangevende leverancier van 802.11n-componenten, waaronder eindversterkers, ruisarme versterkers, schakelaars en geïntegreerde front-end modules (FEM's).

Tabel 3802.11n-modulatie en datasnelheid voor één enkele datastroom

>> 802.11ac standard

802.11ac versnelt Wi-Fi door gigabits per seconde te leveren. Dit wordt bereikt door het 802.11n-concept uit te breiden met een bredere bandbreedte (tot 160 MHz), meer MIMO-ruimtelijke streams (tot 8), downlink multi-user MIMO (tot 4 clients) en modulatie met hoge dichtheid (tot 256 QAM). 802.11ac ondersteunt 256 QAM met 3/4, 5/6 coderingssnelheden (MCS8/9), wat een strengere EVM-vereiste van 6 dB op systeemniveau (-34 dB) vereist. De 11ac-componenten van Qorvo voldoen ruimschoots aan deze EVM-vereisten. 802.11ac werkt alleen in de 5 GHz-band, dus dual-band access points en clients blijven 802.11n gebruiken op 2.4 GHz. De eerste 802.11ac-versies uit 2013 ondersteunden alleen 80 MHz-kanalen en maximaal 3 ruimtelijke streams, waarmee snelheden tot 1300 Mbps op de fysieke laag werden behaald. De tweede generatie producten (802.11ac Wave 2) werd uitgebracht in 2015 en ondersteunt meer kanaalbundeling, meer ruimtelijke streams en MU-MIMO. MU-MIMO is een belangrijke verbetering ten opzichte van 802.11ac: terwijl MIMO meerdere streams naar één gebruiker stuurt, kan MU-MIMO ruimtelijke streams gelijktijdig naar meerdere clients sturen, waardoor de netwerkefficiëntie verbetert. Daarnaast maakt 802.11ac gebruik van een technologie genaamd beamforming; bij beamforming richt een antenne een radiosignaal specifiek op een bepaald apparaat. 802.11ac-routers zijn achterwaarts compatibel met 802.11b, 11g, 11a en 11n, wat betekent dat alle oudere clients correct zullen werken met 802.11ac-routers[4].

>>Wi-Fi 6 或 802.11ax-standaard

802.11ax is de zesde generatie Wi-Fi die voortbouwt op de sterke punten van 802.11ac om een ​​grotere draadloze capaciteit en betrouwbaarheid te bieden. 802.11ax bereikt deze voordelen door dichtere modulatie toe te passen (1024 QAM, OFDMA), de subcarrier-afstand te verkleinen (78.125 kHz) en door middel van geplande resource-allocatie. In tegenstelling tot 802.11ac is 802.11ax een dual-band technologie voor 2.4 en 5 GHz en is ontworpen voor maximale compatibiliteit om efficiënt samen te werken met 802.11a/g/n/ac-clients. 802.11ax maakt gebruik van OFDMA, waardoor resource units (RU's) de bandbreedte kunnen verdelen op basis van de behoeften van de client en dezelfde ervaring kunnen bieden aan meerdere gebruikers met hogere snelheden. Op elk willekeurig punt op de carrier in elke PLCP-protocoldata-eenheid (PPDU) in 802.11ac wordt het Wi-Fi-kanaal opgesplitst in een kleinere set OFDM-subkanalen. Vanwege OFDMA (802.11ax) wordt elke subcarriergroep echter aan de client toegewezen als een resource-eenheid per PPDU (figuur 2).

图 2 Vergelijking van de toewijzing van resources tussen OFDM en OFDMA

In de CSMA/CA-aanpak van de vroege 802.11-standaard detecteerde de draadloze client eerst het kanaal en zond pas uit wanneer het kanaal vrij was, om zo botsingen te voorkomen. Hoewel deze duidelijke methode om conflicten te evalueren en te vermijden nuttig is, wordt deze inefficiënt wanneer het aantal clients zeer groot wordt. Het 802.11ax-protocol lost dit probleem op door middel van OFDMA en op planning gebaseerde toewijzing van resources [5]. 802.11ax-toegangspunten bepalen wanneer het apparaat actief is, waardoor clients efficiënter worden afgehandeld. Resourceplanning kan ook het stroomverbruik tijdens slaapstanden aanzienlijk verminderen, waardoor de batterijduur van de client wordt verlengd. Tabel 4 geeft een overzicht van de verschillen tussen de 802.11ac- en 802.11ax-protocollen. Qorvo's brede 802.11ax-productportfolio omvat 2.4 GHz- en 5 GHz-filters (FEM) en bulk-akoestische golffilters (BAW). De energiezuinige FEM-technologie van het portfolio verlicht de thermische belasting die gepaard gaat met MIMO-ondersteuning in Wi-Fi-apparaten, waardoor fabrikanten de productgrootte en -kosten kunnen verlagen. Qorvo's edgeBoost™ (band edge) en coexBoost™ (coexistence) BAW-filters verbeteren de kwaliteit van de Wi-Fi-service en voorkomen interferentie met aangrenzende LTE-frequenties.

Tabel 4802.11ac vs. 802.11ax

Dit artikel komt van "QorvoMocht er sprake zijn van inbreuk op rechten of andere problemen, neem dan contact met ons op zodat we het kunnen verwijderen.Steun de bescherming van intellectuele eigendomsrechten; vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur.