วิวัฒนาการของเทคโนโลยี Wi-Fi

มาตรฐานดังกล่าวได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องตลอด 20 ปีที่ผ่านมา โดยมีการนำโปรโตคอลใหม่ๆ มาใช้ เช่น 802.11n, 802.11ac และ 802.11ax (Wi-Fi 6)มาตรฐานใหม่นี้รองรับรูปแบบการมอดูเลชั่นลำดับสูง เช่น 64 QAM, 256 QAM และ 1024 QAM มาตรฐานใหม่เหล่านี้รองรับการส่งข้อมูลหลายสตรีมพร้อมกันไปยังไคลเอนต์เดียวหรือหลายไคลเอนต์ นอกจากการเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดแล้ว ยังมีความพยายามที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ว่าระบบใช้คลื่นความถี่ที่มีอยู่ได้ดีเพียงใด เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความจุของเครือข่าย จึงมีการนำเทคโนโลยีหลายผู้ใช้มาใช้ เช่น Multi-User Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO) และ Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) เมื่อมาตรฐาน Wi-Fi (802.11) ได้รับการเผยแพร่และนำไปใช้ โลกก็เริ่มเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากตลาดเปิดกว้างและเทคโนโลยีใหม่ๆ เกิดขึ้น มาตรฐานใหม่แต่ละมาตรฐานสร้างขึ้นจากมาตรฐานก่อนหน้าด้วยการปรับปรุงด้านความเร็วและความน่าเชื่อถือ

มาตรฐาน Wi-Fi

หากคุณกำลังมองหาซื้ออุปกรณ์เครือข่ายไร้สายหรืออุปกรณ์พกพาใหม่ คุณอาจรู้สึกสับสนกับตัวเลือกและตัวย่อมากมาย นับตั้งแต่ Wi-Fi เปิดตัวสู่ผู้บริโภคครั้งแรกในปี 1997 มาตรฐานของมันก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ความเร็วสูงขึ้นและประสิทธิภาพเครือข่าย/สเปกตรัมดีขึ้น เมื่อมีการเพิ่มคุณสมบัติเพิ่มเติมลงในมาตรฐาน 802.11 ดั้งเดิม มาตรฐานเสริมที่เกี่ยวข้อง (802.11b, 802.11g เป็นต้น) ก็เริ่มเป็นที่รู้จัก ตารางที่ 1 แสดงรายการมาตรฐานต่างๆ และอัตราการรับส่งข้อมูลสูงสุดตามทฤษฎีที่สามารถทำได้ตามมาตรฐานเหล่านี้ อัตราทั่วไปจะต่ำกว่าค่าตามทฤษฎีเนื่องจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงการลดทอนสัญญาณตามระยะทาง อัตราการมอดูเลชั่นและการเข้ารหัสแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า แบนด์วิดท์ ตัวคูณ MIMO ช่วงเวลาป้องกัน และอัตราข้อผิดพลาดทั่วไป ตระกูล 802.11 ประกอบด้วยตระกูลเทคโนโลยีการมอดูเลชั่นแบบครึ่งดูเพล็กซ์ผ่านอากาศที่ใช้โปรโตคอลพื้นฐานเดียวกัน ในบทความนี้ เราจะกล่าวถึงพื้นฐานของมาตรฐาน Wi-Fi แต่ละประเภท

1 ตารางประวัติ Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997 ซึ่งเป็นมาตรฐานไร้สายรุ่นแรกในตระกูลนี้ เปิดตัวในปี 1997 แต่ปัจจุบันล้าสมัยแล้ว มาตรฐานนี้กำหนดโปรโตคอลและการเชื่อมต่อที่เข้ากันได้สำหรับอุปกรณ์สื่อสารข้อมูลแบบไร้สายในเครือข่ายท้องถิ่น (LAN) แบบ Carrier Sense Multiple Access Protocol (CSMA/CA) พร้อมการหลีกเลี่ยงการชนกัน โปรโตคอลนี้รองรับเทคโนโลยีเลเยอร์ทางกายภาพสามแบบ ได้แก่ อินฟราเรดที่ทำงานที่ความเร็ว 1 Mbps, สเปกตรัมแบบกระจายความถี่ (FHSS) ที่รองรับอัตราข้อมูล 1 Mbps และ 2 Mbps (เป็นตัวเลือก) และสเปกตรัมแบบกระจายลำดับโดยตรง (DSSS) ที่รองรับอัตราข้อมูล 1/2 Mbps เช่นกัน โปรโตคอลนี้ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเนื่องจากปัญหาด้านการทำงานร่วมกัน ต้นทุน และปริมาณงานที่ไม่เพียงพอ

>> 802.11b standard

ผลิตภัณฑ์ 802.11b ออกสู่ตลาดในช่วงกลางปี ​​1999 มีอัตราการรับส่งข้อมูลสูงสุดตามทฤษฎีที่ 11 Mbps และใช้การเข้าถึงสื่อแบบ CSMA/CA เช่นเดียวกับที่กำหนดไว้ในมาตรฐานเดิม การปรับปรุงอย่างมากในด้านปริมาณงานของ 802.11b ควบคู่ไปกับการลดราคาอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้ 802.11b ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในฐานะเทคโนโลยีไร้สาย 802.11b ใช้แถบความถี่ ISM ที่ไม่ได้รับอนุญาตที่ 2.4~2.5 GHz เป็นส่วนขยายโดยตรงของ DSSS และใช้การเข้ารหัสแบบเสริม (CCK) เป็นเทคโนโลยีการมอดูเลชั่น 802.11b ใช้ในการกำหนดค่าแบบจุดต่อหลายจุด โดยที่จุดเชื่อมต่อสื่อสารกับไคลเอนต์เคลื่อนที่ภายในระยะของจุดเชื่อมต่อ

ระยะนี้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม RF กำลังส่งออก และความไวของตัวรับสัญญาณ 802.11b มีแบนด์วิดท์ช่องสัญญาณ 22 MHz และสามารถทำงานได้ที่ 11 Mbps แต่จะลดลงเหลือ 5.5 Mbps, 2 Mbps และ 1 Mbps (การเลือกอัตราแบบปรับได้) เพื่อลดอัตราการเล่นซ้ำเนื่องจากข้อผิดพลาด [1] มาตรฐาน 802.11b ใช้แบนด์วิดท์ความถี่เดียวกันกับมาตรฐานไร้สายอื่นๆ ดังนั้น อุปกรณ์ไร้สายในบ้าน เช่น เตาไมโครเวฟ อุปกรณ์บลูทูธ และโทรศัพท์ไร้สาย อาจทำให้เกิดการรบกวนต่อ Wi-Fi ได้

>> 802.11a standard

802.11a ใช้โปรโตคอลหลักเดียวกันกับมาตรฐานเดิม ทำงานที่ความถี่ 5 GHz ใช้การมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่เชิงตั้งฉาก (OFDM) จำนวน 52 ซับแคริเออร์ และมีอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดตามทฤษฎีที่ 54 Mbps ส่งผลให้อัตราการส่งข้อมูลจริงอยู่ที่ 20 Mbps อัตราการส่งข้อมูลอื่นๆ ที่รองรับ ได้แก่ 6, 9, 12, 18, 24, 36 และ 48 Mbps 802.11a และ 802.11b ไม่สามารถทำงานร่วมกันได้เนื่องจากทำงานในย่านความถี่ ISM ที่ไม่ได้รับอนุญาตที่แตกต่างกัน เนื่องจากย่านความถี่ 2.4 GHz มีความหนาแน่นมากขึ้น ย่านความถี่ 5 GHz จึงเพิ่มข้อได้เปรียบอย่างมากให้กับ 802.11a แต่ระยะการใช้งานโดยรวมจะน้อยกว่า 802.11b/g เนื่องจากความถี่พาหะสูง

ผลิตภัณฑ์ 802.11a ในตอนแรกไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเนื่องจากปัจจัยด้านต้นทุน การครอบคลุมที่ไม่ดี และความไม่เข้ากันกับ 802.11b จากซับแคริเออร์ OFDM ทั้งหมด 52 ตัว มี 48 ตัวที่ใช้สำหรับข้อมูล และ 4 ตัวเป็นซับแคริเออร์นำร่อง โดยมีระยะห่างระหว่างแคริเออร์ 312.5 kHz แต่ละซับแคริเออร์สามารถเป็น BPSK, QPSK, 16 QAM หรือ 64 QAM ได้ แบนด์วิดท์ช่องสัญญาณ 20 MHz แบนด์วิดท์ที่ใช้ 16.6 MHz ระยะเวลาสัญลักษณ์ 4 ไมโครวินาที รวมช่วงเวลาป้องกัน 0.8 ไมโครวินาที ข้อดีของ OFDM ได้แก่ การลดผลกระทบจากมัลติพาธในการรับสัญญาณและการปรับปรุงประสิทธิภาพสเปกตรัม [2] ตารางที่ 2 แสดงรายการการมอดูเลชั่นต่างๆ ที่รองรับโดย 11a และอัตราข้อมูลทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

2 ตารางอัตราการมอดูเลชั่นและอัตราการส่งข้อมูล 802.11a พร้อมระยะห่างช่องสัญญาณ 20 MHz

>> 802.11g standard

มาตรฐาน 802.11g เริ่มใช้งานได้ในฤดูร้อนปี 2003 โดยใช้เทคโนโลยี OFDM เดียวกันกับ 802.11a และเช่นเดียวกับ 802.11a รองรับอัตราความเร็วสูงสุดตามทฤษฎีที่ 54Mbps แต่เช่นเดียวกับ 802.11b มันทำงานที่ความถี่ 2.4 GHz ซึ่งมีการใช้งานหนาแน่น จึงมีความเสี่ยงต่อการรบกวนและปัจจัยอื่นๆ 802.11g สามารถใช้งานร่วมกับ 802.11b ได้ (เช่น อุปกรณ์ 802.11b สามารถเชื่อมต่อกับจุดเชื่อมต่อ 802.11g ได้) 802.11g สามารถใช้งานร่วมกับจุดเชื่อมต่อแบบ dual-band หรือ dual-mode ที่ใช้ 802.11a และ 802.11b/g ได้

>> 802.11n standard

การเปิดตัวมาตรฐาน 802.11n ทำให้ Wi-Fi เร็วขึ้นและเชื่อถือได้มากขึ้น ความก้าวหน้านี้เกิดขึ้นได้จากการเพิ่ม MIMO และช่องสัญญาณ 40 MHz ในเลเยอร์ทางกายภาพ (PHY) และการรวมเฟรมในเลเยอร์ MAC MIMO เป็นวิธีการเพิ่มความจุของลิงก์ไร้สายเป็นสองเท่าโดยใช้เสาอากาศส่งและรับหลายตัวเพื่อใช้ประโยชน์จากการแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง เสาอากาศเหล่านี้จำเป็นต้องแยกออกจากกันในเชิงพื้นที่เพื่อให้สัญญาณจากเสาอากาศส่งแต่ละตัวไปยังเสาอากาศรับแต่ละตัวมีลักษณะเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกัน เพื่อให้สามารถแยกสตรีมเหล่านี้ออกเป็นช่องสัญญาณอิสระแบบขนานที่ตัวรับได้

ช่องสัญญาณที่ทำงานด้วยแบนด์วิดท์ 40 MHz สามารถเพิ่มความกว้างเป็นสองเท่าและให้ความเร็วในการรับส่งข้อมูล PHY เป็นสองเท่าบนช่องสัญญาณ 20 MHz ช่องเดียว ร่างมาตรฐาน 802.11n อนุญาตให้มีสตรีมเชิงพื้นที่ได้สูงสุด 4 สตรีม โดยมีอัตราการรับส่งข้อมูลสูงสุดตามทฤษฎีที่ 600 Mbps

ช่องสัญญาณ 20 MHz มีซับแคริเออร์ OFDM 56 ตัว โดย 52 ตัวสำหรับข้อมูลและ 4 ตัวสำหรับสัญญาณนำร่อง โดยมีระยะห่างระหว่างแคริเออร์ 312.5 kHz ซับแคริเออร์แต่ละตัวสามารถเป็น BPSK, QPSK, 16 QAM หรือ 64 QAM ได้ ระยะเวลารวมของสัญลักษณ์คือ 3.6 หรือ 4 ไมโครวินาที รวมถึงช่วงเวลาป้องกัน 0.4 หรือ 0.8 ไมโครวินาที ตามลำดับ ตารางที่ 3 แสดงรายการรูปแบบการมอดูเลชั่นและการเข้ารหัสที่แตกต่างกันสำหรับสตรีมข้อมูลเดียว (สำหรับสตรีมข้อมูลหลายสตรีม อัตราข้อมูลจะเป็นจำนวนเท่าของจำนวนสตรีม) 802.11n รองรับการรวมเฟรม โดยที่ MAC Service Data Units (MSDU) หรือ MAC Protocol Data Units (MPDU) หลายตัวจะถูกบรรจุรวมกันเพื่อลดโอเวอร์เฮดและเฉลี่ยค่าดังกล่าวในหลายเฟรมเพื่อเพิ่มอัตราข้อมูลระดับผู้ใช้ นอกจากนี้ 802.11n ยังเข้ากันได้กับ 802.11g, 11b และ 11a[3] Qorvo เป็นผู้จัดจำหน่ายชั้นนำของชิ้นส่วน 802.11n ซึ่งรวมถึงเพาเวอร์แอมป์ แอมป์เสียงรบกวนต่ำ สวิตช์ และโมดูลฟรอนต์เอนด์แบบรวม (FEM)

3 ตารางการมอดูเลชั่นและอัตราข้อมูล 802.11n สำหรับสตรีมข้อมูลเดียว

>> 802.11ac standard

802.11ac เพิ่มความเร็ว Wi-Fi ด้วยการส่งข้อมูลระดับกิกะบิตต่อวินาที โดยขยายแนวคิดของ 802.11n ให้ครอบคลุมแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้น (สูงสุด 160 MHz), สตรีม MIMO เชิงพื้นที่มากขึ้น (สูงสุด 8), MIMO สำหรับผู้ใช้หลายคนในการดาวน์โหลด (สูงสุด 4 ไคลเอนต์) และการมอดูเลชั่นความหนาแน่นสูง (สูงสุด 256 QAM) 802.11ac รองรับ 256 QAM ที่อัตราการเข้ารหัส 3/4, 5/6 (MCS8/9) ซึ่งต้องการค่า EVM ระดับระบบที่เข้มงวดกว่าที่ 6 dB (-34 dB) ส่วนประกอบ 11ac ของ Qorvo ตรงตามข้อกำหนด EVM เหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย 802.11ac ทำงานเฉพาะในย่านความถี่ 5 GHz เท่านั้น ดังนั้นจุดเชื่อมต่อและไคลเอนต์แบบดูอัลแบนด์จะยังคงใช้ 802.11n ที่ 2.4 GHz ต่อไป มาตรฐาน 802.11ac รุ่นแรกที่เปิดตัวในปี 2013 รองรับเฉพาะช่องสัญญาณ 80 MHz และสตรีมเชิงพื้นที่สูงสุด 3 สตรีม ให้ความเร็วสูงสุด 1300 Mbps ที่เลเยอร์ทางกายภาพ ผลิตภัณฑ์รุ่นที่สอง (802.11ac Wave 2) เปิดตัวในปี 2015 และรองรับการรวมช่องสัญญาณมากขึ้น สตรีมเชิงพื้นที่มากขึ้น และ MU-MIMO MU-MIMO เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญเหนือกว่า 802.11ac โดยที่ MIMO ส่งสตรีมหลายสตรีมไปยังผู้ใช้รายเดียว แต่ MU-MIMO สามารถส่งสตรีมเชิงพื้นที่ไปยังไคลเอนต์หลายรายพร้อมกันได้ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่าย นอกจากนี้ 802.11ac ยังใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่าบีมฟอร์มมิ่ง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเสาอากาศจะส่งสัญญาณวิทยุไปยังอุปกรณ์เฉพาะ เราเตอร์ 802.11ac สามารถใช้งานร่วมกับ 802.11b, 11g, 11a และ 11n ได้ ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ลูกข่ายรุ่นเก่าทั้งหมดจะทำงานได้อย่างถูกต้องกับเราเตอร์ 802.11ac[4]

>>Wi-Fi 6 或 มาตรฐาน 802.11ax

802.11ax คือ Wi-Fi รุ่นที่หกที่พัฒนาต่อยอดจากจุดแข็งของ 802.11ac เพื่อมอบความจุและความน่าเชื่อถือในการใช้งานไร้สายที่มากขึ้น 802.11ax บรรลุข้อดีเหล่านี้ได้โดยการใช้การมอดูเลชั่นที่หนาแน่นกว่า (1024 QAM, OFDMA) ลดระยะห่างระหว่างคลื่นย่อย (78.125 kHz) และอิงตามการจัดสรรทรัพยากรตามกำหนดเวลา แตกต่างจาก 802.11ac ตรงที่ 802.11ax เป็นเทคโนโลยีแบบดูอัลแบนด์ 2.4 และ 5 GHz และได้รับการออกแบบมาเพื่อความเข้ากันได้สูงสุดเพื่อให้สามารถทำงานร่วมกับอุปกรณ์ 802.11a/g/n/ac ได้อย่างมีประสิทธิภาพ 802.11ax ใช้ OFDMA ซึ่งช่วยให้หน่วยทรัพยากร (RU) สามารถแบ่งแบนด์วิดท์ตามความต้องการของอุปกรณ์และมอบประสบการณ์เดียวกันให้กับผู้ใช้หลายคนด้วยความเร็วที่สูงขึ้น ในมาตรฐาน 802.11ac ณ จุดใดจุดหนึ่งบนคลื่นพาหะในแต่ละหน่วยข้อมูลโปรโตคอล PLCP (PPDU) ช่องสัญญาณ Wi-Fi จะถูกแบ่งออกเป็นชุดย่อยของช่องสัญญาณ OFDM ที่เล็กลง อย่างไรก็ตาม ด้วยเทคโนโลยี OFDMA (802.11ax) แต่ละกลุ่มคลื่นพาหะย่อยจะถูกจัดสรรให้กับไคลเอนต์เป็นหน่วยทรัพยากรต่อ PPDU (รูปที่ 2)

图 2 การเปรียบเทียบการจัดสรรทรัพยากร OFDM และ OFDMA

ในแนวทาง CSMA/CA ของมาตรฐาน 802.11 ในยุคแรก ไคลเอนต์ไร้สายจะตรวจจับช่องสัญญาณก่อนและส่งข้อมูลเฉพาะเมื่อตรวจพบว่าช่องสัญญาณว่าง เพื่อพยายามหลีกเลี่ยงการชนกัน แม้ว่าวิธีการประเมินและหลีกเลี่ยงความขัดแย้งที่ชัดเจนนี้จะมีประโยชน์ แต่ก็ไม่มีประสิทธิภาพเมื่อจำนวนไคลเอนต์เพิ่มขึ้นมาก โปรโตคอล 802.11ax แก้ปัญหานี้ผ่าน OFDMA และการจัดสรรทรัพยากรตามการจัดตารางเวลา [5] จุดเชื่อมต่อ 802.11ax กำหนดเวลาที่อุปกรณ์ทำงาน ดังนั้นจึงจัดการไคลเอนต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การจัดตารางเวลาทรัพยากรยังสามารถลดการใช้พลังงานในช่วงเวลาพักได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของไคลเอนต์ ตารางที่ 4 แสดงความแตกต่างระหว่างโปรโตคอล 802.11ac และ 802.11ax ผลิตภัณฑ์ 802.11ax ที่หลากหลายของ Qorvo ประกอบด้วยตัวกรอง 2.4 GHz และ 5 GHz (FEM) และตัวกรองคลื่นเสียงแบบกลุ่ม (BAW) เทคโนโลยี FEM ที่ประหยัดพลังงานของกลุ่มผลิตภัณฑ์นี้ ช่วยลดภาระความร้อนที่เกิดจากการรองรับ MIMO ในอุปกรณ์ Wi-Fi ทำให้ผู้ผลิตสามารถลดขนาดและต้นทุนของผลิตภัณฑ์ได้ ตัวกรอง BAW edgeBoost™ (band edge) และ coexBoost™ (coexistence) ของ Qorvo ช่วยปรับปรุงคุณภาพการบริการ Wi-Fi และป้องกันการรบกวนความถี่ LTE ที่อยู่ใกล้เคียง

4 ตาราง802.11ac vs. 802.11ax

บทความนี้มาจาก "Qorvoหากมีการละเมิดลิขสิทธิ์หรือปัญหาอื่นใด โปรดติดต่อเราเพื่อลบออกเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและชื่อผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปพิมพ์ซ้ำ