Sự phát triển của công nghệ Wi-Fi

Tiêu chuẩn này đã liên tục phát triển trong 20 năm qua bằng cách giới thiệu các giao thức mới như 802.11n, 802.11ac và 802.11ax (Wi-Fi 6).Tiêu chuẩn mới hỗ trợ các sơ đồ điều chế bậc cao hơn như 64 QAM, 256 QAM và 1024 QAM. Các tiêu chuẩn mới này hỗ trợ truyền đồng thời nhiều luồng dữ liệu đến một hoặc nhiều máy khách; ngoài việc tăng tốc độ dữ liệu đỉnh, các nỗ lực cũng được thực hiện để nâng cao hiệu quả phổ, đặc trưng cho việc hệ thống sử dụng phổ tần khả dụng tốt như thế nào. Để cải thiện hiệu quả và dung lượng mạng, các công nghệ đa người dùng như đa đầu vào đa đầu ra đa người dùng (MU-MIMO) và đa truy cập phân chia tần số trực giao (OFDMA) đã được giới thiệu. Sau khi tiêu chuẩn Wi-Fi (802.11) được phát hành và triển khai, thế giới bắt đầu thay đổi khi thị trường mở cửa và các công nghệ mới xuất hiện. Mỗi tiêu chuẩn mới đều được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn trước đó với những cải tiến về tốc độ và độ tin cậy.

Tiêu chuẩn Wi-Fi

Nếu bạn đang tìm mua một thiết bị mạng không dây hoặc thiết bị di động mới, bạn có thể bị choáng ngợp bởi vô số lựa chọn và các từ viết tắt. Kể từ khi Wi-Fi được phát hành lần đầu tiên cho người tiêu dùng vào năm 1997, các tiêu chuẩn của nó đã liên tục phát triển, thường dẫn đến tốc độ nhanh hơn và hiệu quả mạng/phổ tần cao hơn. Khi nhiều tính năng được thêm vào tiêu chuẩn 802.11 ban đầu, các tiêu chuẩn bổ sung tương ứng (802.11b, 802.11g, v.v.) cũng được biết đến. Bảng 1 liệt kê các tiêu chuẩn khác nhau và tốc độ dữ liệu lý thuyết tối đa có thể đạt được dựa trên các tiêu chuẩn này. Tốc độ thực tế sẽ thấp hơn giá trị lý thuyết do nhiều yếu tố, bao gồm suy hao tín hiệu theo khoảng cách, tốc độ điều chế và mã hóa sửa lỗi chuyển tiếp, băng thông, hệ số nhân MIMO, khoảng thời gian bảo vệ và tỷ lệ lỗi điển hình. Họ 802.11 bao gồm một họ các công nghệ điều chế bán song công qua không khí sử dụng cùng một giao thức cơ bản. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về những điều cơ bản của từng tiêu chuẩn Wi-Fi.

Bảng 1Lịch sử Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

Chuẩn 802.11-1997, chuẩn không dây đầu tiên trong dòng chuẩn này, được phát hành năm 1997 nhưng hiện đã lỗi thời. Chuẩn này định nghĩa các giao thức và kết nối tương thích cho thiết bị truyền thông dữ liệu không dây trong mạng cục bộ (LAN) sử dụng giao thức truy cập đa người dùng cảm biến sóng mang (CSMA/CA) với khả năng tránh xung đột. Giao thức này hỗ trợ ba công nghệ lớp vật lý, bao gồm hồng ngoại hoạt động ở tốc độ 1 Mbps, trải phổ nhảy tần (FHSS) hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1 Mbps và tùy chọn 2 Mbps, và trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) cũng hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1/2 Mbps. Giao thức này không được chấp nhận rộng rãi do các vấn đề về khả năng tương thích, chi phí và thiếu thông lượng cần thiết.

>> 802.11b standard

Các sản phẩm 802.11b ra mắt thị trường vào giữa năm 1999. Chuẩn này có tốc độ truyền dữ liệu lý thuyết tối đa là 11 Mbps và sử dụng cùng phương thức truy cập phương tiện CSMA/CA như được định nghĩa trong tiêu chuẩn ban đầu. Những cải tiến vượt bậc về thông lượng của 802.11b cùng với việc giảm giá đáng kể đã dẫn đến sự chấp nhận rộng rãi của 802.11b như một công nghệ không dây. 802.11b sử dụng dải tần số không cần cấp phép ISM từ 2.4 đến 2.5 GHz, là phần mở rộng trực tiếp của DSSS và sử dụng mã điều chế bổ sung (CCK). 802.11b được sử dụng trong cấu hình điểm-đa điểm, trong đó điểm truy cập giao tiếp với các thiết bị di động nằm trong phạm vi của điểm truy cập.

Phạm vi này phụ thuộc vào môi trường RF, công suất đầu ra và độ nhạy của bộ thu. 802.11b có băng thông kênh 22 MHz và có thể hoạt động ở tốc độ 11 Mbps, nhưng có thể giảm xuống 5.5 Mbps, xuống 2 Mbps và xuống 1 Mbps (lựa chọn tốc độ thích ứng) để giảm tỷ lệ phát lại do lỗi [1]. Tiêu chuẩn 802.11b chia sẻ cùng băng thông tần số với các tiêu chuẩn không dây khác. Do đó, các thiết bị không dây trong nhà như lò vi sóng, thiết bị Bluetooth và điện thoại không dây có thể gây nhiễu cho Wi-Fi.

>> 802.11a standard

Chuẩn 802.11a sử dụng cùng giao thức lõi với chuẩn gốc, hoạt động ở tần số 5 GHz, sử dụng 52 sóng mang phụ và ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM), có tốc độ dữ liệu lý thuyết tối đa là 54 Mbps, cho tốc độ truyền tải thực tế là 20 Mbps. Các tốc độ dữ liệu khác mà nó hỗ trợ bao gồm 6, 9, 12, 18, 24, 36 và 48 Mbps. 802.11a và 802.11b không tương thích với nhau vì chúng hoạt động trong các băng tần ISM không được cấp phép khác nhau. Khi băng tần 2.4 GHz ngày càng trở nên tắc nghẽn, băng tần 5 GHz mang lại những lợi thế đáng kể cho 802.11a, nhưng phạm vi hoạt động hiệu quả tổng thể nhỏ hơn so với 802.11b/g do tần số sóng mang cao hơn.

Các sản phẩm 802.11a ban đầu không được chấp nhận rộng rãi do các yếu tố chi phí, phạm vi phủ sóng kém và không tương thích với 802.11b. Trong số 52 sóng mang phụ OFDM, 48 sóng mang được sử dụng cho dữ liệu và 4 sóng mang là sóng mang thí điểm, với khoảng cách sóng mang là 312.5 kHz. Mỗi sóng mang phụ này có thể là BPSK, QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM. Băng thông kênh 20 MHz, băng thông chiếm dụng 16.6 MHz; thời lượng ký hiệu 4 micro giây, bao gồm khoảng thời gian bảo vệ 0.8 micro giây. Ưu điểm của OFDM bao gồm giảm hiệu ứng đa đường trong quá trình thu và cải thiện hiệu suất phổ [2]. Bảng 2 liệt kê các kiểu điều chế khác nhau được hỗ trợ bởi 11a và tốc độ dữ liệu lý thuyết tương ứng của chúng.

Bảng 2Tốc độ điều chế và tốc độ dữ liệu 802.11a với khoảng cách kênh 20 MHz.

>> 802.11g standard

Chuẩn 802.11g được ra mắt vào mùa hè năm 2003. Nó sử dụng cùng công nghệ OFDM như 802.11a, và giống như 802.11a, hỗ trợ tốc độ lý thuyết tối đa là 54Mbps; nhưng giống như 802.11b, nó hoạt động ở băng tần 2.4 GHz vốn đã đông đúc, do đó dễ bị nhiễu và các yếu tố khác ảnh hưởng. 802.11g tương thích ngược với 802.11b (nghĩa là các thiết bị 802.11b có thể kết nối với các điểm truy cập 802.11g). 802.11g tương thích với các điểm truy cập băng tần kép hoặc chế độ kép sử dụng cả 802.11a và 802.11b/g.

>> 802.11n standard

Việc giới thiệu chuẩn 802.11n đã giúp Wi-Fi nhanh hơn và đáng tin cậy hơn; sự tiến bộ này đạt được bằng cách bổ sung MIMO và kênh 40 MHz vào lớp vật lý (PHY) và tổng hợp khung vào lớp MAC. MIMO là một phương pháp tăng gấp đôi dung lượng của liên kết không dây bằng cách sử dụng nhiều anten phát và nhận để tận dụng sự lan truyền đa đường. Các anten này cần được tách biệt về mặt không gian sao cho tín hiệu từ mỗi anten phát đến mỗi anten nhận có các đặc điểm không gian khác nhau, nhờ đó các luồng này có thể được tách thành các kênh độc lập song song tại bộ thu.

Các kênh hoạt động ở băng thông 40 MHz có thể được tăng gấp đôi độ rộng và đạt được tốc độ dữ liệu PHY gấp đôi trên một kênh 20 MHz duy nhất. Bản dự thảo 802.11n cho phép tối đa 4 luồng không gian với thông lượng lý thuyết tối đa là 600 Mbps.

Kênh 20 MHz có 56 sóng mang phụ OFDM, 52 cho dữ liệu và 4 cho tín hiệu thí điểm, với khoảng cách sóng mang là 312.5 kHz. Mỗi sóng mang phụ này có thể là BPSK, QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM. Tổng thời lượng ký hiệu là 3.6 hoặc 4 micro giây, bao gồm khoảng thời gian bảo vệ là 0.4 hoặc 0.8 micro giây tương ứng. Bảng 3 liệt kê các sơ đồ điều chế và mã hóa khác nhau cho một luồng dữ liệu đơn (đối với nhiều luồng dữ liệu, tốc độ dữ liệu là bội số của số luồng). 802.11n hỗ trợ tổng hợp khung, trong đó nhiều Đơn vị Dữ liệu Dịch vụ MAC (MSDU) hoặc Đơn vị Dữ liệu Giao thức MAC (MPDU) được đóng gói cùng nhau để giảm chi phí và tính trung bình trên nhiều khung để tăng tốc độ dữ liệu ở cấp người dùng. Ngoài ra, 802.11n tương thích ngược với 802.11g, 11b và 11a[3]. Qorvo là nhà cung cấp hàng đầu các linh kiện 802.11n, bao gồm bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ chuyển mạch và các mô-đun giao diện tích hợp (FEM).

Bảng 3Điều chế và tốc độ dữ liệu 802.11n cho một luồng dữ liệu duy nhất

>> 802.11ac standard

Chuẩn 802.11ac tăng tốc Wi-Fi bằng cách cung cấp tốc độ gigabit mỗi giây thông qua việc mở rộng khái niệm 802.11n để bao gồm băng thông rộng hơn (lên đến 160 MHz), nhiều luồng không gian MIMO hơn (lên đến 8), MIMO đa người dùng đường xuống (lên đến 4 máy khách) và điều chế mật độ cao (lên đến 256 QAM). 802.11ac hỗ trợ 256 QAM ở tốc độ mã 3/4, 5/6 (MCS8/9), yêu cầu yêu cầu EVM cấp hệ thống nghiêm ngặt hơn là 6 dB (-34 dB). Các thành phần 11ac của Qorvo dễ dàng đáp ứng các yêu cầu EVM này. 802.11ac chỉ hoạt động ở băng tần 5 GHz, vì vậy các điểm truy cập và máy khách băng tần kép sẽ tiếp tục sử dụng 802.11n ở tần số 2.4 GHz. Các phiên bản 802.11ac đầu tiên ra mắt năm 2013 chỉ hỗ trợ kênh 80 MHz và tối đa 3 luồng không gian, mang lại tốc độ lên đến 1300 Mbps ở lớp vật lý. Thế hệ sản phẩm thứ hai (802.11ac Wave 2) được phát hành vào năm 2015 và hỗ trợ nhiều kênh ghép hơn, nhiều luồng không gian hơn và MU-MIMO. MU-MIMO là một bước tiến lớn so với 802.11ac—trong khi MIMO hướng nhiều luồng đến một người dùng duy nhất, MU-MIMO có thể hướng các luồng không gian đến nhiều máy khách cùng lúc, cải thiện hiệu quả mạng. Ngoài ra, 802.11ac sử dụng công nghệ gọi là tạo chùm tia; với tạo chùm tia, về cơ bản một ăng-ten sẽ phát tín hiệu vô tuyến đến một thiết bị cụ thể. Bộ định tuyến 802.11ac tương thích ngược với 802.11b, 11g, 11a và 11n, có nghĩa là tất cả các máy khách cũ sẽ hoạt động chính xác với bộ định tuyến 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 Chuẩn 802.11ax

802.11ax là thế hệ Wi-Fi thứ sáu, được xây dựng dựa trên những ưu điểm của 802.11ac để mang lại dung lượng và độ tin cậy không dây cao hơn. 802.11ax đạt được những ưu điểm này bằng cách áp dụng điều chế dày đặc hơn (1024 QAM, OFDMA), giảm khoảng cách giữa các sóng mang phụ (78.125 kHz) và dựa trên phân bổ tài nguyên theo lịch trình. Không giống như 802.11ac, 802.11ax là công nghệ băng tần kép 2.4 và 5 GHz và được thiết kế để có khả năng tương thích tối đa, hoạt động hiệu quả cùng với các thiết bị khách 802.11a/g/n/ac. 802.11ax sử dụng OFDMA, cho phép các đơn vị tài nguyên (RU) chia băng thông dựa trên nhu cầu của thiết bị khách và mang lại trải nghiệm tương tự cho nhiều người dùng với tốc độ nhanh hơn. Tại bất kỳ điểm nào trên sóng mang trong mỗi đơn vị dữ liệu giao thức PLCP (PPDU) trong 802.11ac, kênh Wi-Fi được chia thành một tập hợp nhỏ hơn các kênh con OFDM. Tuy nhiên, do OFDMA (802.11ax), mỗi nhóm sóng mang phụ được phân bổ cho máy khách như một đơn vị tài nguyên trên cơ sở mỗi PPDU (Hình 2).

图 2 So sánh phân bổ tài nguyên OFDM và OFDMA

Trong phương pháp CSMA/CA của tiêu chuẩn 802.11 ban đầu, máy khách không dây trước tiên sẽ cảm nhận kênh và chỉ truyền khi cảm nhận được kênh rảnh, do đó cố gắng tránh va chạm. Mặc dù phương pháp rõ ràng này để đánh giá và tránh xung đột rất hữu ích, nhưng nó trở nên kém hiệu quả khi số lượng máy khách tăng lên rất lớn. Giao thức 802.11ax giải quyết vấn đề này thông qua OFDMA và phân bổ tài nguyên dựa trên lập lịch [5]. Các điểm truy cập 802.11ax quyết định khi nào thiết bị hoạt động, do đó nó xử lý các máy khách hiệu quả hơn. Lập lịch tài nguyên cũng có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng trong thời gian ngủ, do đó cải thiện tuổi thọ pin của máy khách. Bảng 4 liệt kê sự khác biệt giữa các giao thức 802.11ac và 802.11ax. Danh mục sản phẩm 802.11ax rộng lớn của Qorvo bao gồm các bộ lọc 2.4 GHz và 5 GHz (FEM) và sóng âm khối (BAW). FEM tiết kiệm năng lượng của danh mục sản phẩm giúp giảm gánh nặng nhiệt liên quan đến hỗ trợ MIMO trong các thiết bị Wi-Fi, cho phép các nhà sản xuất giảm kích thước và chi phí sản phẩm. Các bộ lọc BAW edgeBoost™ (band edge) và coexBoost™ (coexistence) của Qorvo giúp cải thiện chất lượng dịch vụ Wi-Fi và ngăn ngừa nhiễu sóng đến các tần số LTE liền kề.

Bảng 4802.11ac vs. 802.11ax

Bài viết này được trích từ "QorvoNếu có bất kỳ vi phạm bản quyền hoặc vấn đề nào khác, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ.Để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại.