Ewolucja technologii Wi-Fi

Standard ten ewoluował przez ostatnie 20 lat, wprowadzając nowe protokoły, takie jak 802.11n, 802.11ac i 802.11ax (Wi-Fi 6)Nowy standard obsługuje schematy modulacji wyższego rzędu, takie jak 64 QAM, 256 QAM i 1024 QAM. Nowe standardy umożliwiają jednoczesną transmisję wielu strumieni danych do jednego lub wielu klientów; oprócz zwiększenia szczytowych przepływności danych, podejmowane są również wysiłki w celu poprawy efektywności widmowej, która charakteryzuje, jak dobrze system wykorzystuje dostępne pasmo. Aby poprawić wydajność i przepustowość sieci, wprowadzono technologie wielodostępne, takie jak MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) i OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Po opublikowaniu i wdrożeniu standardu Wi-Fi (802.11) świat zaczął się zmieniać wraz z otwarciem rynku i pojawieniem się nowych technologii. Każdy nowy standard bazuje na poprzednim, zwiększając szybkość i niezawodność.

Standardy Wi-Fi

Jeśli rozważasz zakup nowego urządzenia sieci bezprzewodowej lub urządzenia mobilnego, możesz poczuć się przytłoczony mnogością dostępnych opcji i skrótów. Od czasu, gdy Wi-Fi po raz pierwszy trafiło do konsumentów w 1997 roku, jego standardy stale ewoluowały, często prowadząc do zwiększenia prędkości i lepszej wydajności sieci/pasma. Wraz z dodawaniem kolejnych funkcji do oryginalnego standardu 802.11, znane stały się również odpowiadające mu standardy uzupełniające (802.11b, 802.11g itd.). Tabela 1 przedstawia listę różnych standardów i maksymalne teoretyczne szybkości transmisji danych, jakie można osiągnąć w oparciu o te standardy. Typowe szybkości będą niższe od wartości teoretycznych ze względu na szereg czynników, takich jak tłumienie sygnału w funkcji odległości, szybkość modulacji i kodowanie korekcji błędów, przepustowość, mnożniki MIMO, interwały ochronne i typowe współczynniki błędów. Rodzina 802.11 składa się z rodziny półdupleksowych technologii modulacji bezprzewodowej, które wykorzystują ten sam protokół podstawowy. W tym artykule omówimy podstawy każdego standardu Wi-Fi.

Tabela 1Historia Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997, pierwszy standard bezprzewodowy w tej rodzinie, został wydany w 1997 roku, ale obecnie jest przestarzały. Standard ten definiuje protokoły i kompatybilne połączenia dla urządzeń do bezprzewodowej transmisji danych w sieciach lokalnych (LAN) z unikaniem kolizji, opartych na protokole CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Protocol). Protokół obsługuje trzy technologie warstwy fizycznej, w tym podczerwień działającą z szybkością 1 Mb/s, technologię FHSS (frequency-hopping spread spectrum) obsługującą szybkość transmisji danych 1 Mb/s i opcjonalnie 2 Mb/s oraz technologię DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), która obsługuje również szybkość transmisji danych 1/2 Mb/s. Protokół nie został powszechnie zaakceptowany ze względu na problemy z interoperacyjnością, koszty i brak wystarczającej przepustowości.

>> 802.11b standard

Produkty 802.11b trafiły na rynek w połowie 1999 roku. Maksymalna teoretyczna przepustowość wynosi 11 Mb/s, a ich wykorzystanie opiera się na tym samym standardzie dostępu do mediów CSMA/CA, co w pierwotnym standardzie. Znaczący wzrost przepustowości 802.11b w połączeniu ze znacznym obniżeniem cen przyczynił się do powszechnej akceptacji 802.11b jako technologii bezprzewodowej. Standard 802.11b wykorzystuje nielicencjonowane pasmo częstotliwości ISM 2.4–2.5 GHz, jest bezpośrednim rozszerzeniem standardu DSSS i wykorzystuje technologię modulacji CCK (Complementary Code Keying). Standard 802.11b jest używany w konfiguracjach punkt-wielopunkt, w których punkt dostępowy komunikuje się z klientami mobilnymi znajdującymi się w jego zasięgu.

Zasięg ten zależy od środowiska RF, mocy wyjściowej i czułości odbiornika. Standard 802.11b ma pasmo kanału 22 MHz i może działać z szybkością 11 Mb/s, ale skaluje się do 5.5 Mb/s, 2 Mb/s i 1 Mb/s (adaptacyjny wybór szybkości transmisji), aby zmniejszyć częstotliwość odtwarzania z powodu błędów [1]. Standard 802.11b współdzieli tę samą szerokość pasma częstotliwości z innymi standardami bezprzewodowymi. Dlatego urządzenia bezprzewodowe w domu, takie jak kuchenki mikrofalowe, urządzenia Bluetooth i telefony bezprzewodowe, mogą powodować zakłócenia w działaniu sieci Wi-Fi.

>> 802.11a standard

Standard 802.11a wykorzystuje ten sam protokół bazowy, co pierwotny standard, działa z częstotliwością 5 GHz, wykorzystuje 52 podnośne OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) i ma maksymalną teoretyczną przepustowość 54 Mb/s, co daje praktyczną przepustowość 20 Mb/s. Obsługiwane są również inne prędkości transmisji danych: 6, 9, 12, 18, 24, 36 i 48 Mb/s. Standardy 802.11a i 802.11b nie współpracują ze sobą, ponieważ działają w różnych, nielicencjonowanych pasmach ISM. Wraz ze wzrostem zatłoczenia pasma 2.4 GHz, pasmo 5 GHz zapewnia znaczące korzyści w porównaniu ze standardem 802.11a, ale całkowity efektywny zasięg jest mniejszy niż w przypadku 802.11b/g ze względu na wysoką częstotliwość nośną.

Produkty 802.11a początkowo nie były powszechnie akceptowane ze względu na czynniki kosztowe, słaby zasięg i brak kompatybilności z 802.11b. Spośród 52 podnośnych OFDM, 48 jest używanych do transmisji danych, a 4 to podnośne pilotażowe z odstępem między nośnymi wynoszącym 312.5 kHz. Każda z tych podnośnych może być BPSK, QPSK, 16 QAM lub 64 QAM. Szerokość pasma kanału 20 MHz, zajęta szerokość pasma 16.6 MHz; czas trwania symbolu 4 mikrosekundy, wliczając interwał ochronny 0.8 mikrosekundy. Zalety OFDM obejmują redukcję efektów wielodrogowych w odbiorze i poprawę wydajności widmowej [2]. Tabela 2 zawiera listę różnych modulacji obsługiwanych przez 11a i ich odpowiednich teoretycznych szybkości transmisji danych.

Tabela 2Szybkość modulacji i szybkość transmisji danych 802.11a z odstępem międzykanałowym 20 MHz

>> 802.11g standard

Standard 802.11g stał się dostępny latem 2003 roku. Wykorzystuje on tę samą technologię OFDM co 802.11a i podobnie jak 802.11a obsługuje maksymalną teoretyczną przepustowość 54 Mb/s. Jednak podobnie jak 802.11b, działa w zatłoczonym paśmie 2.4 GHz i dlatego jest podatny na zakłócenia i inne czynniki. Standard 802.11g jest wstecznie kompatybilny ze standardem 802.11b (tj. urządzenia 802.11b mogą łączyć się z punktami dostępowymi 802.11g). Standard 802.11g jest kompatybilny z punktami dostępowymi dwupasmowymi lub dwumodowymi, które wykorzystują zarówno 802.11a, jak i 802.11b/g.

>> 802.11n standard

Wprowadzenie standardu 802.11n sprawiło, że Wi-Fi stało się szybsze i bardziej niezawodne; ten postęp został osiągnięty poprzez dodanie MIMO i kanałów 40 MHz do warstwy fizycznej (PHY) oraz agregacji ramek do warstwy MAC. MIMO to metoda podwojenia przepustowości łącza bezprzewodowego poprzez zastosowanie wielu anten nadawczych i odbiorczych, co pozwala na wykorzystanie propagacji wielodrogowej. Anteny te muszą być rozdzielone przestrzennie, aby sygnały z każdej anteny nadawczej do każdej anteny odbiorczej miały różne charakterystyki przestrzenne, co umożliwia rozdzielenie tych strumieni na równoległe, niezależne kanały w odbiorniku.

Kanały pracujące z pasmem 40 MHz mogą mieć podwojoną szerokość i osiągnąć dwukrotnie większą przepustowość PHY na pojedynczym kanale 20 MHz. Projekt 802.11n umożliwia obsługę do 4 strumieni przestrzennych o maksymalnej teoretycznej przepustowości 600 Mb/s.

Kanał 20 MHz ma 56 podnośnych OFDM, 52 dla danych i 4 dla pilota, z odstępem między nośnymi wynoszącym 312.5 kHz. Każda z tych podnośnych może być BPSK, QPSK, 16 QAM lub 64 QAM. Całkowity czas trwania symbolu wynosi 3.6 lub 4 mikrosekundy, wliczając interwał ochronny wynoszący odpowiednio 0.4 lub 0.8 mikrosekundy. Tabela 3 przedstawia różne schematy modulacji i kodowania dla pojedynczego strumienia danych (w przypadku wielu strumieni danych szybkość transmisji danych jest wielokrotnością liczby strumieni). 802.11n obsługuje agregację ramek, w której wiele jednostek danych usługi MAC (MSDU) lub jednostek danych protokołu MAC (MPDU) jest pakowanych razem w celu zmniejszenia narzutu i uśredniania go w wielu ramkach w celu zwiększenia szybkości transmisji danych na poziomie użytkownika. Ponadto 802.11n jest wstecznie kompatybilny z 802.11g, 11b i 11a[3]. Qorvo jest wiodącym dostawcą komponentów 802.11n, w tym wzmacniaczy mocy, wzmacniaczy niskoszumowych, przełączników i zintegrowanych modułów front-end (FEM).

Tabela 3Modulacja 802.11n i szybkość transmisji danych dla pojedynczego strumienia danych

>> 802.11ac standard

Standard 802.11ac przyspiesza Wi-Fi, zapewniając gigabity na sekundę poprzez rozszerzenie koncepcji 802.11n o szerszą przepustowość (do 160 MHz), więcej strumieni przestrzennych MIMO (do 8), obsługę MIMO dla wielu użytkowników łącza downlink (do 4 klientów) oraz modulację o wysokiej gęstości (do 256 QAM). Standard 802.11ac obsługuje modulację 256 QAM przy szybkościach kodowania 3/4, 5/6 (MCS8/9), co wymaga bardziej rygorystycznego wymagania dotyczącego modulacji EVM na poziomie systemu (-34 dB) na poziomie 6 dB. Komponenty 11ac firmy Qorvo z łatwością spełniają te wymagania. Standard 802.11ac działa tylko w paśmie 5 GHz, więc dwupasmowe punkty dostępowe i klienci będą nadal korzystać z modulacji 802.11n w paśmie 2.4 GHz. Pierwsze wersje standardu 802.11ac z 2013 roku obsługiwały jedynie kanały 80 MHz i maksymalnie 3 strumienie przestrzenne, zapewniając prędkość do 1300 Mb/s w warstwie fizycznej. Druga fala produktów (802.11ac Wave 2) została wydana w 2015 roku i obsługuje więcej funkcji łączenia kanałów, więcej strumieni przestrzennych oraz technologię MU-MIMO. MUMIMO to znaczący postęp w stosunku do 802.11ac – podczas gdy MIMO kieruje wiele strumieni do jednego użytkownika, MU-MIMO może kierować strumienie przestrzenne do wielu klientów jednocześnie, poprawiając wydajność sieci. Ponadto, 802.11ac wykorzystuje technologię zwaną formowaniem wiązki (beamforming). W tym przypadku antena zasadniczo wysyła sygnał radiowy do określonego urządzenia. Routery 802.11ac są wstecznie kompatybilne z routerami 802.11b, 11g, 11a i 11n, co oznacza, że ​​wszyscy starsi klienci będą poprawnie współpracować z routerami 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 Standard 802.11ax

802.11ax to szósta generacja Wi-Fi, która bazuje na zaletach 802.11ac, zapewniając większą przepustowość i niezawodność sieci bezprzewodowej. 802.11ax osiąga te zalety dzięki zastosowaniu gęstszej modulacji (1024 QAM, OFDMA), zmniejszeniu odstępów między podnośnymi (78.125 kHz) oraz opartej na planowym przydzielaniu zasobów. W przeciwieństwie do 802.11ac, 802.11ax to technologia dwupasmowa 2.4 i 5 GHz, zaprojektowana z myślą o maksymalnej kompatybilności i efektywnej współistnieniu z klientami 802.11a/g/n/ac. 802.11ax wykorzystuje OFDMA, co pozwala jednostkom zasobów (RU) dzielić pasmo w zależności od potrzeb klientów i zapewniać takie samo działanie wielu użytkownikom z większą prędkością. W dowolnym punkcie nośnej w każdej jednostce danych protokołu PLCP (PPDU) w standardzie 802.11ac kanał Wi-Fi jest dzielony na mniejszy zestaw podkanałów OFDM. Jednak ze względu na OFDMA (802.11ax) każda grupa podnośnych jest przydzielana klientowi jako jednostka zasobów na podstawie każdej jednostki PPDU (rysunek 2).

图 2 Porównanie alokacji zasobów OFDM i OFDMA

W podejściu CSMA/CA wczesnego standardu 802.11, klient bezprzewodowy najpierw wykrywał kanał i nadawał tylko wtedy, gdy wykrył, że kanał jest bezczynny, starając się w ten sposób unikać kolizji. Chociaż ta jasna metoda oceny i unikania konfliktów jest przydatna, staje się nieefektywna, gdy liczba klientów rośnie bardzo szybko. Protokół 802.11ax rozwiązuje ten problem za pomocą OFDMA i alokacji zasobów opartej na harmonogramowaniu [5]. Punkty dostępowe 802.11ax dyktują, kiedy urządzenie działa, dzięki czemu obsługuje klientów wydajniej. Harmonogramowanie zasobów może również znacznie zmniejszyć zużycie energii w okresach uśpienia, poprawiając tym samym żywotność baterii klienta. Tabela 4 przedstawia różnice między protokołami 802.11ac i 802.11ax. Szerokie portfolio produktów 802.11ax firmy Qorvo obejmuje filtry 2.4 GHz i 5 GHz (FEM) oraz filtry fal akustycznych (BAW). Energooszczędna technologia FEM w tym portfolio zmniejsza obciążenie cieplne związane z obsługą MIMO w urządzeniach Wi-Fi, umożliwiając producentom zmniejszenie rozmiarów i kosztów produktów. Filtry BAW firmy Qorvo edgeBoostTM (krawędź pasma) i coexBoostTM (współistnienie) poprawiają jakość usług Wi-Fi i zapobiegają zakłóceniom sąsiednich częstotliwości LTE.

Tabela 4802.11ac vs. 802.11ax

Ten artykuł pochodzi z „Qorvo”, jeśli stwierdzisz jakiekolwiek naruszenie lub inny problem, skontaktuj się z nami w celu usunięcia treści.W celu wsparcia ochrony praw własności intelektualnej prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku.