Эволюция технологии Wi-Fi

За последние 20 лет стандарт продолжал развиваться, были введены новые протоколы, такие как 802.11n, 802.11ac и 802.11ax (Wi-Fi 6).Новый стандарт поддерживает схемы модуляции более высокого порядка, такие как 64 QAM, 256 QAM и 1024 QAM. Эти новые стандарты поддерживают одновременную передачу нескольких потоков данных одному или нескольким клиентам; помимо увеличения пиковых скоростей передачи данных, предпринимаются усилия по повышению спектральной эффективности, которая характеризует, насколько хорошо система использует доступный спектр. Для повышения эффективности и пропускной способности сети были внедрены многопользовательские технологии, такие как многопользовательский многовходовой многовыходовой (MU-MIMO) и ортогональный частотный мультиплексный доступ (OFDMA). После выпуска и внедрения стандарта Wi-Fi (802.11) мир начал меняться, поскольку рынок открылся, и появились новые технологии. Каждый новый стандарт основывается на предыдущем, улучшая скорость и надежность.

Стандарты Wi-Fi

Если вы собираетесь приобрести новое беспроводное сетевое устройство или мобильное устройство, вас может ошеломить множество вариантов и аббревиатур. С момента первого появления Wi-Fi на рынке в 1997 году его стандарты постоянно развивались, часто приводя к увеличению скорости и повышению эффективности сети/спектра. По мере добавления новых функций к первоначальному стандарту 802.11, стали известны и соответствующие дополнительные стандарты (802.11b, 802.11g и т. д.). В таблице 1 перечислены различные стандарты и максимально возможные теоретические скорости передачи данных, которые могут быть достигнуты на основе этих стандартов. Типичные скорости будут ниже теоретических значений из-за множества факторов, включая затухание сигнала на расстоянии, скорость модуляции и кодирование с прямой коррекцией ошибок, полосу пропускания, множители MIMO, защитные интервалы и типичные частоты ошибок. Семейство 802.11 состоит из семейства полудуплексных технологий беспроводной модуляции, использующих один и тот же базовый протокол. В этой статье мы обсудим основные принципы каждого стандарта Wi-Fi.

Таблица 1История Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997, первый беспроводной стандарт в этом семействе, был выпущен в 1997 году, но сейчас устарел. Этот стандарт определяет протоколы и совместимые соединения для оборудования беспроводной передачи данных в локальных сетях (LAN) с протоколом множественного доступа с обнаружением несущей (CSMA/CA) и предотвращением коллизий. Протокол поддерживает три технологии физического уровня, включая инфракрасный диапазон, работающий на скорости 1 Мбит/с, частотно-скачковое расширение спектра (FHSS), поддерживающее скорость передачи данных 1 Мбит/с и опционально 2 Мбит/с, и прямое расширение спектра (DSSS), которое также поддерживает скорость передачи данных 1/2 Мбит/с. Протокол не получил широкого распространения из-за проблем с совместимостью, стоимости и недостаточной пропускной способности.

>> 802.11b standard

Продукты стандарта 802.11b появились на рынке в середине 1999 года. Они обладают максимальной теоретической скоростью передачи данных 11 Мбит/с и используют тот же протокол доступа к среде передачи CSMA/CA, что и в исходном стандарте. Значительное улучшение пропускной способности 802.11b в сочетании со существенным снижением цен привело к широкому распространению 802.11b как беспроводной технологии. 802.11b использует нелицензированный частотный диапазон ISM 2.4–2.5 ГГц, является прямым расширением DSSS и использует комплементарную кодовую манипуляцию (CCK) в качестве технологии модуляции. 802.11b используется в конфигурациях «точка-многоточка», где точка доступа взаимодействует с мобильными клиентами в зоне действия точки доступа.

Этот диапазон зависит от радиочастотной среды, выходной мощности и чувствительности приемника. Стандарт 802.11b имеет полосу пропускания канала 22 МГц и может работать на скорости 11 Мбит/с, но масштабируется до 5.5 Мбит/с, 2 Мбит/с и 1 Мбит/с (адаптивный выбор скорости) для уменьшения частоты повторного воспроизведения из-за ошибок [1]. Стандарт 802.11b использует ту же полосу частот, что и другие беспроводные стандарты. Поэтому беспроводные устройства в доме, такие как микроволновые печи, устройства Bluetooth и беспроводные телефоны, могут создавать помехи для Wi-Fi.

>> 802.11a standard

Стандарт 802.11a использует тот же базовый протокол, что и исходный стандарт, работает на частоте 5 ГГц, использует 52 поднесущие с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM) и имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 54 Мбит/с, что приводит к практической пропускной способности 20 Мбит/с. Он также поддерживает скорости передачи данных 6, 9, 12, 18, 24, 36 и 48 Мбит/с. Стандарты 802.11a и 802.11b несовместимы, поскольку работают в разных нелицензированных диапазонах ISM. По мере того, как диапазон 2.4 ГГц становится все более перегруженным, диапазон 5 ГГц значительно расширяет возможности 802.11a, но общая эффективная дальность действия меньше, чем у 802.11b/g, из-за высокой несущей частоты.

Продукты 802.11a изначально не получили широкого распространения из-за факторов стоимости, плохого покрытия и несовместимости с 802.11b. Из 52 поднесущих OFDM 48 используются для передачи данных, а 4 являются пилотными поднесущими, с шагом несущих 312.5 кГц. Каждая из этих поднесущих может быть BPSK, QPSK, 16 QAM или 64 QAM. Ширина полосы канала 20 МГц, занимаемая полоса пропускания 16.6 МГц; длительность символа 4 микросекунды, включая защитный интервал 0.8 микросекунды. Преимуществами OFDM являются снижение эффектов многолучевого распространения при приеме и повышение спектральной эффективности [2]. В таблице 2 перечислены различные модуляции, поддерживаемые 11a, и соответствующие им теоретические скорости передачи данных.

Таблица 2Модуляция и скорость передачи данных 802.11a с шагом канала 20 МГц.

>> 802.11g standard

Стандарт 802.11g стал доступен летом 2003 года. Он использует ту же технологию OFDM, что и 802.11a, и, как и 802.11a, поддерживает максимальную теоретическую скорость 54 Мбит/с; но, как и 802.11b, он работает на перегруженном диапазоне 2.4 ГГц и поэтому подвержен помехам и другим факторам. 802.11g обратно совместим с 802.11b (т.е. устройства 802.11b могут подключаться к точкам доступа 802.11g). 802.11g совместим с двухдиапазонными или двухрежимными точками доступа, использующими 802.11a и 802.11b/g.

>> 802.11n standard

Внедрение стандарта 802.11n сделало Wi-Fi быстрее и надежнее; это улучшение было достигнуто за счет добавления MIMO и каналов 40 МГц на физический уровень (PHY) и агрегации кадров на уровень MAC. MIMO — это метод удвоения пропускной способности беспроводного канала за счет использования нескольких передающих и приемных антенн для использования преимуществ многолучевого распространения. Эти антенны должны быть пространственно разделены, чтобы сигналы от каждой передающей антенны к каждой приемной антенне имели разные пространственные характеристики, чтобы эти потоки можно было разделить на параллельные независимые каналы на приемнике.

Каналы, работающие на полосе пропускания 40 МГц, могут быть удвоены по ширине и обеспечивать вдвое большую скорость передачи данных на физическом уровне по одному каналу шириной 20 МГц. Проект стандарта 802.11n допускает до 4 пространственных потоков с максимальной теоретической пропускной способностью 600 Мбит/с.

Канал 20 МГц имеет 56 поднесущих OFDM, 52 для данных и 4 для пилотных сигналов, с шагом несущих 312.5 кГц. Каждая из этих поднесущих может быть BPSK, QPSK, 16 QAM или 64 QAM. Общая длительность символа составляет 3.6 или 4 микросекунды, включая защитный интервал 0.4 или 0.8 микросекунды соответственно. В таблице 3 перечислены различные схемы модуляции и кодирования для одного потока данных (для нескольких потоков данных скорость передачи данных кратна количеству потоков). 802.11n поддерживает агрегацию кадров, при которой несколько блоков данных службы MAC (MSDU) или блоков данных протокола MAC (MPDU) объединяются для уменьшения накладных расходов и усреднения по нескольким кадрам для увеличения скорости передачи данных на уровне пользователя. Кроме того, 802.11n обратно совместим с 802.11g, 11b и 11a[3]. Компания Qorvo является ведущим поставщиком компонентов стандарта 802.11n, включая усилители мощности, малошумящие усилители, переключатели и интегрированные модули входного каскада (FEM).

Таблица 3Модуляция и скорость передачи данных 802.11n для одного потока данных

>> 802.11ac standard

Стандарт 802.11ac ускоряет Wi-Fi, обеспечивая гигабиты в секунду за счет расширения концепции 802.11n, включающей более широкую полосу пропускания (до 160 МГц), больше пространственных потоков MIMO (до 8), нисходящий канал многопользовательской MIMO (до 4 клиентов) и модуляцию высокой плотности (до 256 QAM). 802.11ac поддерживает 256 QAM с кодовыми скоростями 3/4, 5/6 (MCS8/9), что требует более жесткого системного требования к EVM в 6 дБ (-34 дБ). Компоненты Qorvo 11ac легко соответствуют этим требованиям EVM. 802.11ac работает только в диапазоне 5 ГГц, поэтому двухдиапазонные точки доступа и клиенты будут продолжать использовать 802.11n на частоте 2.4 ГГц. Первые версии 802.11ac, выпущенные в 2013 году, поддерживали только каналы шириной 80 МГц и до 3 пространственных потоков, обеспечивая скорость до 1300 Мбит/с на физическом уровне. Вторая волна продуктов (802.11ac Wave 2) была выпущена в 2015 году и поддерживает большее количество каналов, больше пространственных потоков и MU-MIMO. MU-MIMO — это значительный шаг вперед по сравнению с 802.11ac: в то время как MIMO направляет несколько потоков одному пользователю, MU-MIMO может направлять пространственные потоки нескольким клиентам одновременно, повышая эффективность сети. Кроме того, 802.11ac использует технологию формирования луча; при формировании луча антенна, по сути, направляет радиосигнал на конкретное устройство. Маршрутизаторы 802.11ac обратно совместимы с 802.11b, 11g, 11a и 11n, что означает, что все устаревшие клиенты будут корректно работать с маршрутизаторами 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 Стандарт 802.11ax

802.11ax — это шестое поколение Wi-Fi, которое развивает преимущества 802.11ac, обеспечивая большую пропускную способность и надежность беспроводной связи. 802.11ax достигает этих преимуществ за счет более плотной модуляции (1024 QAM, OFDMA), уменьшения шага поднесущих (78.125 кГц) и распределения ресурсов по расписанию. В отличие от 802.11ac, 802.11ax — это двухдиапазонная технология 2.4 и 5 ГГц, разработанная для максимальной совместимости и эффективного сосуществования с клиентами 802.11a/g/n/ac. 802.11ax использует OFDMA, что позволяет блокам ресурсов (RU) делить полосу пропускания в зависимости от потребностей клиента и обеспечивать одинаковый уровень обслуживания для нескольких пользователей на более высоких скоростях. В любой точке несущей в каждом блоке данных протокола PLCP (PPDU) в 802.11ac канал Wi-Fi разбивается на меньший набор подканалов OFDM. Однако, благодаря OFDMA (802.11ax), каждая группа поднесущих выделяется клиенту в качестве ресурсной единицы на основе каждого PPDU (рис. 2).

图 2 Сравнение распределения ресурсов OFDM и OFDMA

В подходе CSMA/CA раннего стандарта 802.11 беспроводной клиент сначала определял канал и передавал данные только тогда, когда обнаруживал, что канал свободен, тем самым пытаясь избежать коллизий. Хотя этот понятный метод оценки и предотвращения конфликтов полезен, он становится неэффективным, когда количество клиентов значительно увеличивается. Протокол 802.11ax решает эту проблему с помощью OFDMA и распределения ресурсов на основе планирования [5]. Точки доступа 802.11ax определяют, когда устройство работает, поэтому оно более эффективно обрабатывает клиентов. Планирование ресурсов также может значительно снизить энергопотребление в спящем режиме, тем самым увеличивая время работы батареи клиента. В таблице 4 перечислены различия между протоколами 802.11ac и 802.11ax. Широкий ассортимент продукции Qorvo, работающей с протоколом 802.11ax, включает фильтры 2.4 ГГц и 5 ГГц (FEM) и фильтры на основе объемных акустических волн (BAW). Энергоэффективный модуль FEM в портфеле продуктов снижает тепловую нагрузку, связанную с поддержкой MIMO в устройствах Wi-Fi, что позволяет производителям уменьшить размеры и стоимость продукции. Фильтры BAW edgeBoost™ (на краю полосы) и coexBoost™ (для сосуществования) от Qorvo улучшают качество обслуживания Wi-Fi и предотвращают помехи соседним частотам LTE.

Таблица 4802.11ac vs. 802.11ax

Эта статья взята из "QorvoЕсли возникнут какие-либо нарушения или другие проблемы, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления.Поддержите защиту прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке.