A evolução da tecnologia Wi-Fi

O padrão continuou a evoluir nos últimos 20 anos com a introdução de novos protocolos, como o 802.11n, o 802.11ac e o 802.11ax (Wi-Fi 6).O novo padrão suporta esquemas de modulação de ordem superior, como 64 QAM, 256 QAM e 1024 QAM. Esses novos padrões permitem a transmissão simultânea de múltiplos fluxos de dados para um único cliente ou para múltiplos clientes; além de aumentar as taxas de dados de pico, também são feitos esforços para aprimorar a eficiência espectral, que caracteriza o quão bem um sistema utiliza o espectro disponível. Para melhorar a eficiência e a capacidade da rede, foram introduzidas tecnologias multiusuário, como MU-MIMO (Multiple Input Multiple Output) e OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Após o lançamento e a implementação do padrão Wi-Fi (802.11), o mundo começou a mudar com a abertura do mercado e o surgimento de novas tecnologias. Cada novo padrão se baseia no anterior, com melhorias em velocidade e confiabilidade.

Padrões de Wi-Fi

Se você está pensando em comprar um novo dispositivo de rede sem fio ou um dispositivo móvel, pode se sentir sobrecarregado pela grande variedade de opções e siglas. Desde que o Wi-Fi foi lançado para o público em geral em 1997, seus padrões continuaram a evoluir, resultando frequentemente em velocidades mais rápidas e maior eficiência de rede/espectro. À medida que mais recursos foram adicionados ao padrão original 802.11, seus padrões suplementares correspondentes (802.11b, 802.11g, etc.) também se tornaram conhecidos. A Tabela 1 lista os diferentes padrões e as taxas de dados teóricas máximas que podem ser alcançadas com base nesses padrões. As taxas típicas serão menores que os valores teóricos devido a uma variedade de fatores, incluindo atenuação do sinal com a distância, taxa de modulação e codificação de correção de erros (FEC), largura de banda, multiplicadores MIMO, intervalos de guarda e taxas de erro típicas. A família 802.11 consiste em uma família de tecnologias de modulação half-duplex over-the-air que utilizam o mesmo protocolo básico. Neste artigo, discutiremos os fundamentos de cada padrão Wi-Fi.

tabela 1Histórico de Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

O padrão 802.11-1997, o primeiro padrão sem fio da família, foi lançado em 1997, mas agora está obsoleto. Este padrão define protocolos e interconexões compatíveis para equipamentos de comunicação de dados sem fio em redes locais (LANs) com protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Protocol) e prevenção de colisões. O protocolo suporta três tecnologias de camada física: infravermelho operando a 1 Mbps, espectro espalhado por salto de frequência (FHSS), que suporta taxas de dados de 1 Mbps e, opcionalmente, 2 Mbps, e espectro espalhado por sequência direta (DSSS), que também suporta taxas de dados de 1/2 Mbps. O protocolo não foi amplamente aceito devido a problemas de interoperabilidade, custo e falta de taxa de transferência suficiente.

>> 802.11b standard

Os produtos 802.11b chegaram ao mercado em meados de 1999. Possuem uma taxa de dados teórica máxima de 11 Mbps e utilizam o mesmo protocolo de acesso ao meio CSMA/CA definido no padrão original. As melhorias drásticas na taxa de transferência do 802.11b, aliadas a reduções significativas de preço, levaram à sua ampla aceitação como tecnologia sem fio. O 802.11b utiliza a banda de frequência não licenciada ISM de 2.4 a 2.5 GHz, é uma extensão direta do DSSS e utiliza a tecnologia de modulação CCK (Complementary Code Keying). O 802.11b é utilizado em configurações ponto-a-multiponto, onde um ponto de acesso se comunica com clientes móveis dentro do seu alcance.

Essa faixa de frequência depende do ambiente de radiofrequência, da potência de saída e da sensibilidade do receptor. O padrão 802.11b possui uma largura de banda de canal de 22 MHz e pode operar a 11 Mbps, mas reduz a taxa para 5.5 Mbps, 2 Mbps e 1 Mbps (seleção adaptativa de taxa) para diminuir as taxas de repetição devido a erros [1]. O padrão 802.11b compartilha a mesma largura de banda de frequência que outros padrões sem fio. Portanto, dispositivos sem fio domésticos, como fornos de micro-ondas, dispositivos Bluetooth e telefones sem fio, podem causar interferência no Wi-Fi.

>> 802.11a standard

O padrão 802.11a utiliza o mesmo protocolo central do padrão original, opera em 5 GHz, usa multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM) com 52 subportadoras e tem uma taxa de dados teórica máxima de 54 Mbps, resultando em uma taxa de transferência prática de 20 Mbps. Outras taxas de dados suportadas incluem 6, 9, 12, 18, 24, 36 e 48 Mbps. Os padrões 802.11a e 802.11b não são interoperáveis ​​porque operam em bandas ISM não licenciadas diferentes. À medida que a banda de 2.4 GHz se torna cada vez mais congestionada, a banda de 5 GHz adiciona vantagens significativas ao 802.11a, mas o alcance efetivo geral é menor do que o do 802.11b/g devido à alta frequência da portadora.

Os produtos 802.11a não foram inicialmente amplamente aceitos devido a fatores de custo, baixa cobertura e incompatibilidade com o 802.11b. Das 52 subportadoras OFDM, 48 são usadas para dados e 4 são subportadoras piloto, com espaçamento entre portadoras de 312.5 kHz. Cada uma dessas subportadoras pode ser BPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. A largura de banda do canal é de 20 MHz, a largura de banda ocupada é de 16.6 MHz; a duração do símbolo é de 4 microssegundos, incluindo um intervalo de guarda de 0.8 microssegundos. As vantagens do OFDM incluem a redução dos efeitos de multicaminho na recepção e a melhoria da eficiência espectral [2]. A Tabela 2 lista as diferentes modulações suportadas pelo 11a e suas respectivas taxas de dados teóricas.

tabela 2Taxa de modulação e taxa de dados do padrão 802.11a com espaçamento de canal de 20 MHz.

>> 802.11g standard

O padrão 802.11g tornou-se disponível no verão de 2003. Ele utiliza a mesma tecnologia OFDM do 802.11a e, assim como o 802.11a, suporta uma taxa teórica máxima de 54 Mbps; porém, assim como o 802.11b, opera na faixa de 2.4 GHz, que é bastante congestionada, sendo, portanto, suscetível a interferências e outros fatores. O 802.11g é retrocompatível com o 802.11b (ou seja, dispositivos 802.11b podem se conectar a pontos de acesso 802.11g). O 802.11g é compatível com pontos de acesso de banda dupla ou modo duplo que utilizam 802.11a e 802.11b/g.

>> 802.11n standard

A introdução do padrão 802.11n tornou o Wi-Fi mais rápido e confiável; esse avanço foi alcançado com a adição de MIMO e canais de 40 MHz à camada física (PHY) e agregação de quadros à camada MAC. MIMO é um método para dobrar a capacidade de um enlace sem fio utilizando múltiplas antenas de transmissão e recepção para aproveitar a propagação multicaminho. Essas antenas precisam estar espacialmente separadas para que os sinais de cada antena transmissora para cada antena receptora tenham características espaciais diferentes, permitindo que esses fluxos sejam separados em canais paralelos independentes no receptor.

Canais operando com largura de banda de 40 MHz podem ter sua largura duplicada e atingir o dobro da taxa de dados da camada física (PHY) em um único canal de 20 MHz. O rascunho do padrão 802.11n permite até 4 fluxos espaciais com uma taxa de transferência teórica máxima de 600 Mbps.

O canal de 20 MHz possui 56 subportadoras OFDM, 52 para dados e 4 para piloto, com espaçamento entre portadoras de 312.5 kHz. Cada uma dessas subportadoras pode ser BPSK, QPSK, 16 QAM ou 64 QAM. A duração total do símbolo é de 3.6 ou 4 microssegundos, incluindo um intervalo de guarda de 0.4 ou 0.8 microssegundos, respectivamente. A Tabela 3 lista os diferentes esquemas de modulação e codificação para um único fluxo de dados (para múltiplos fluxos de dados, a taxa de dados é um múltiplo do número de fluxos). O padrão 802.11n suporta agregação de quadros, onde múltiplas Unidades de Dados de Serviço MAC (MSDU) ou Unidades de Dados de Protocolo MAC (MPDU) são agrupadas para reduzir a sobrecarga e distribuí-la em média entre múltiplos quadros, aumentando assim as taxas de dados em nível de usuário. Além disso, o 802.11n é retrocompatível com os padrões 802.11g, 11b e 11a[3]. A Qorvo tem sido uma fornecedora líder de componentes 802.11n, incluindo amplificadores de potência, amplificadores de baixo ruído, chaves e módulos front-end integrados (FEMs).

tabela 3Modulação 802.11n e taxa de dados para um único fluxo de dados

>> 802.11ac standard

O padrão 802.11ac acelera o Wi-Fi, oferecendo gigabits por segundo ao estender o conceito do 802.11n para incluir maior largura de banda (até 160 MHz), mais fluxos espaciais MIMO (até 8), MIMO multiusuário em downlink (até 4 clientes) e modulação de alta densidade (até 256 QAM). O 802.11ac suporta 256 QAM nas taxas de código 3/4 e 5/6 (MCS8/9), o que exige um requisito de EVM (Valor de Equivalência) de 6 dB (-34 dB) mais rigoroso em nível de sistema. Os componentes 11ac da Qorvo atendem facilmente a esses requisitos de EVM. O 802.11ac opera apenas na banda de 5 GHz, portanto, pontos de acesso e clientes de banda dupla continuarão a usar o 802.11n em 2.4 GHz. As primeiras versões do 802.11ac, lançadas em 2013, suportavam apenas canais de 80 MHz e até 3 fluxos espaciais, oferecendo velocidades de até 1300 Mbps na camada física. A segunda geração de produtos (802.11ac Wave 2), lançada em 2015, suporta mais agregação de canais, mais fluxos espaciais e MU-MIMO. O MU-MIMO representa um grande avanço em relação ao 802.11ac — enquanto o MIMO direciona múltiplos fluxos para um único usuário, o MU-MIMO pode direcionar fluxos espaciais para múltiplos clientes simultaneamente, melhorando a eficiência da rede. Além disso, o 802.11ac utiliza uma tecnologia chamada beamforming; com o beamforming, uma antena basicamente direciona um sinal de rádio para um dispositivo específico. Os roteadores 802.11ac são retrocompatíveis com os padrões 802.11b, 11g, 11a e 11n, o que significa que todos os clientes legados funcionarão corretamente com roteadores 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 Padrão 802.11ax

O 802.11ax é a sexta geração do Wi-Fi, que se baseia nos pontos fortes do 802.11ac para oferecer maior capacidade e confiabilidade sem fio. O 802.11ax alcança essas vantagens aplicando modulação mais densa (1024 QAM, OFDMA), reduzindo o espaçamento entre subportadoras (78.125 kHz) e com base na alocação de recursos agendada. Ao contrário do 802.11ac, o 802.11ax é uma tecnologia de banda dupla de 2.4 e 5 GHz e foi projetado para máxima compatibilidade, coexistindo eficientemente com clientes 802.11a/g/n/ac. O 802.11ax utiliza OFDMA, que permite que as unidades de recursos (RUs) dividam a largura de banda com base nas necessidades do cliente e ofereçam a mesma experiência a vários usuários em velocidades mais rápidas. Em qualquer ponto da portadora em cada unidade de dados do protocolo PLCP (PPDU) no 802.11ac, o canal Wi-Fi é dividido em um conjunto menor de subcanais OFDM. No entanto, devido ao OFDMA (802.11ax), cada grupo de subportadoras é alocado ao cliente como uma unidade de recurso por PPDU (Figura 2).

图 2 Comparação da alocação de recursos OFDM e OFDMA

Na abordagem CSMA/CA do padrão 802.11 inicial, o cliente sem fio primeiro detectava o canal e transmitia somente quando detectava que o canal estava ocioso, tentando assim evitar colisões. Embora esse método claro de avaliação e prevenção de conflitos seja útil, ele se torna ineficiente quando o número de clientes aumenta muito. O protocolo 802.11ax resolve esse problema por meio de OFDMA e alocação de recursos baseada em agendamento [5]. Os pontos de acesso 802.11ax determinam quando o dispositivo opera, gerenciando os clientes de forma mais eficiente. O agendamento de recursos também pode reduzir significativamente o consumo de energia durante os períodos de repouso, melhorando assim a duração da bateria do cliente. A Tabela 4 lista as diferenças entre os protocolos 802.11ac e 802.11ax. O amplo portfólio de produtos 802.11ax da Qorvo inclui filtros de 2.4 GHz e 5 GHz (FEM) e de ondas acústicas de volume (BAW). O FEM, com sua eficiência energética, alivia a carga térmica associada ao suporte a MIMO em dispositivos Wi-Fi, permitindo que os fabricantes reduzam o tamanho e o custo do produto. Os filtros BAW edgeBoost™ (borda de banda) e coexBoost™ (coexistência) da Qorvo melhoram a qualidade do serviço Wi-Fi e evitam interferências em frequências LTE adjacentes.

tabela 4802.11ac vs. 802.11ax

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