Wi-Fi技术的演变

2021-12-28 576

在过去的 20 年里，该标准不断发展，引入了 802.11n、802.11ac 和 802.11ax（Wi-Fi 6）等新协议。新标准支持更高阶的调制方案，例如 64 QAM、256 QAM 和 1024 QAM。这些新标准支持同时向单个客户端或多个客户端传输多个数据流；除了提高峰值数据速率外，还致力于提升频谱效率，频谱效率表征系统对可用频谱的利用程度。为了提高网络效率和网络容量，引入了多用户技术，例如多用户多输入多输出 (MU-MIMO) 和正交频分多址 (OFDMA)。Wi-Fi (802.11) 标准发布并实施后，随着市场的开放和新技术的涌现，世界开始发生变化。每个新标准都在前一个标准的基础上进行改进，提升速度和可靠性。

无线网络标准

如果您正打算购买新的无线网络设备或移动设备，面对琳琅满目的选择和各种缩写，您可能会感到不知所措。自 1997 年 Wi-Fi 首次面向消费者发布以来，其标准不断发展演进，通常能够带来更快的速度和更高的网络/频谱效率。随着更多功能被添加到最初的 802.11 标准中，相应的补充标准（802.11b、802.11g 等）也随之出现。表 1 列出了不同的标准以及基于这些标准可以达到的最大理论数据速率。由于多种因素的影响，实际速率通常会低于理论值，这些因素包括信号随距离的衰减、调制速率和前向纠错编码、带宽、MIMO 倍频器、保护间隔以及典型误码率。802.11 系列包含一系列使用相同基本协议的半双工空中调制技术。在本文中，我们将讨论每种 Wi-Fi 标准的基础知识。

表1无线网络历史

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997 是该系列中的第一个无线标准，于 1997 年发布，但现已过时。该标准定义了载波侦听多路访问协议 (CSMA/CA) 局域网 (LAN) 中空中数据通信设备的协议和兼容互连，并具有冲突避免机制。该协议支持三种物理层技术，包括工作速率为 1 Mbps 的红外技术、支持 1 Mbps 和可选 2 Mbps 数据速率的跳频扩频 (FHSS) 技术，以及同样支持 1/2 Mbps 数据速率的直接序列扩频 (DSSS) 技术。由于互操作性问题、成本高昂以及吞吐量不足，该协议并未得到广泛应用。

>> 802.11b standard

802.11b 产品于 1999 年年中上市。其理论最大数据速率为 11 Mbps，并采用与原始标准相同的 CSMA/CA 媒体访问机制。802.11b 吞吐量的显著提升以及价格的大幅下降，使其作为一种无线技术得到了广泛应用。802.11b 使用 2.4~2.5 GHz 的 ISM 免许可频段，是 DSSS 的直接扩展，并采用互补码键控 (CCK) 作为其调制技术。802.11b 应用于点对多点配置，其中接入点与覆盖范围内的移动客户端进行通信。

该范围取决于射频环境、输出功率和接收器灵敏度。802.11b 具有 22 MHz 的信道带宽，最高运行速率可达 11 Mbps，但会根据错误情况自动调整速率，降至 5.5 Mbps、2 Mbps 甚至 1 Mbps（自适应速率选择）以降低重放率 [1]。802.11b 标准与其他无线标准共享相同的频率带宽。因此，家中的无线设备，例如微波炉、蓝牙设备和无绳电话，可能会对 Wi-Fi 造成干扰。

>> 802.11a standard

802.11a 使用与原始标准相同的核心协议，工作频率为 5 GHz，采用 52 个子载波的正交频分复用 (OFDM) 技术，理论最大数据速率为 54 Mbps，实际吞吐量为 20 Mbps。它还支持 6、9、12、18、24、36 和 48 Mbps 等其他数据速率。802.11a 和 802.11b 无法互操作，因为它们工作在不同的免许可 ISM 频段。随着 2.4 GHz 频段日益拥挤，5 GHz 频段为 802.11a 带来了显著优势，但由于载波频率较高，其整体有效覆盖范围小于 802.11b/g。

由于成本、覆盖范围有限以及与 802.11b 不兼容等因素，802.11a 产品最初并未得到广泛应用。在 52 个 OFDM 子载波中，48 个用于数据传输，4 个用于导频传输，载波间隔为 312.5 kHz。每个子载波均可采用 BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM 调制方式。信道带宽为 20 MHz，占用带宽为 16.6 MHz；符号持续时间为 4 微秒，包含 0.8 微秒的保护间隔。OFDM 的优势包括降低接收中的多径效应并提高频谱效率 [2]。表 2 列出了 11a 支持的不同调制方式及其各自的理论数据速率。

表2802.11a 调制速率和数据速率，信道间隔为 20 MHz。

>> 802.11g standard

802.11g 于 2003 年夏季发布。它采用与 802.11a 相同的 OFDM 技术，并且与 802.11a 一样，支持最高 54Mbps 的理论速率；但与 802.11b 一样，它工作在拥挤的 2.4 GHz 频段，因此容易受到干扰和其他因素的影响。802.11g 向下兼容 802.11b（即，802.11b 设备可以连接到 802.11g 接入点）。802.11g 与使用 802.11a 和 802.11b/g 的双频或双模接入点兼容。

>> 802.11n standard

802.11n 的引入使 Wi-Fi 的速度更快、更可靠；这一进步是通过在物理层 (PHY) 中添加 MIMO 和 40 MHz 信道，以及在 MAC 层添加帧聚合来实现的。MIMO 是一种利用多径传播，通过多个发射和接收天线来倍增无线链路容量的方法。这些天线需要在空间上分离，使得每个发射天线到每个接收天线的信号具有不同的空间特性，从而可以在接收端将这些信号流分离成并行的独立信道。

工作带宽为 40 MHz 的信道可以加宽一倍，从而在单个 20 MHz 信道上实现两倍的物理层数据速率。802.11n 草案允许最多 4 个空间流，理论最大吞吐量为 600 Mbps。

20 MHz 信道有 56 个 OFDM 子载波，其中 52 个用于数据，4 个用于导频，载波间隔为 312.5 kHz。每个子载波可以采用 BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM 调制方式。符号持续时间分别为 3.6 或 4 微秒，包含 0.4 或 0.8 微秒的保护间隔。表 3 列出了单个数据流的不同调制和编码方案（对于多个数据流，数据速率是数据流数量的倍数）。802.11n 支持帧聚合，即将多个 MAC 服务数据单元 (MSDU) 或 MAC 协议数据单元 (MPDU) 打包在一起，以减少开销，并在多个帧上进行平均，从而提高用户级数据速率。此外，802.11n 向下兼容 802.11g、11b 和 11a[3]。 Qorvo 一直是 802.11n 组件的领先供应商，产品包括功率放大器、低噪声放大器、开关和集成前端模块 (FEM)。

表3802.11n 调制方式和单数据流的数据速率

>> 802.11ac standard

802.11ac 通过扩展 802.11n 的概念，提供更宽的带宽（高达 160 MHz）、更多的 MIMO 空间流（高达 8 个）、下行多用户 MIMO（高达 4 个客户端）以及高密度调制（高达 256 QAM），从而以每秒千兆比特的速度提升 Wi-Fi 速度。802.11ac 支持 3/4 和 5/6 码率的 256 QAM（MCS8/9），这需要更严格的系统级 EVM 要求，即 6 dB（-34 dB）。Qorvo 的 11ac 组件轻松满足这些 EVM 要求。802.11ac 仅在 5 GHz 频段工作，因此双频接入点和客户端将继续使用 2.4 GHz 频段的 802.11n。 2013 年发布的首批 802.11ac 标准仅支持 80 MHz 信道和最多 3 个空间流，物理层速度最高可达 1300 Mbps。第二批产品（802.11ac Wave 2）于 2015 年发布，支持更多信道绑定、更多空间流以及 MU-MIMO 技术。MU-MIMO 是 802.11ac 的一项重大进步——MIMO 将多个空间流定向到单个用户，而 MU-MIMO 可以同时将多个空间流定向到多个客户端，从而提高网络效率。此外，802.11ac 还采用了一种称为波束成形的技术；波束成形技术是指天线将无线信号定向到特定设备。802.11ac 路由器向下兼容 802.11b、11g、11a 和 11n，这意味着所有旧款客户端都可以与 802.11ac 路由器正常工作[4]。

>>WiFi6 或 802.11ax标准

802.11ax 是第六代 Wi-Fi 标准，它在 802.11ac 的基础上进行了扩展，提供了更高的无线容量和可靠性。802.11ax 通过采用更密集的调制方式（1024 QAM、OFDMA）、减小子载波间隔（78.125 kHz）以及基于调度资源分配来实现这些优势。与 802.11ac 不同，802.11ax 采用 2.4 GHz 和 5 GHz 双频技术，旨在实现与 802.11a/g/n/ac 客户端的最大兼容性，从而高效共存。802.11ax 使用 OFDMA 技术，允许资源单元 (RU) 根据客户端需求划分带宽，并以更快的速度为多个用户提供相同的体验。在 802.11ac 中，每个 PLCP 协议数据单元 (PPDU) 的载波上，Wi-Fi 信道被分解成一组更小的 OFDM 子信道。然而，由于 OFDMA（802.11ax），每个子载波组都是按 PPDU 分配给客户端的资源单元（图 2）。

图2 OFDM 和 OFDMA 资源分配比较

在早期 802.11 标准的 CSMA/CA 机制中，无线客户端首先检测信道，仅在检测到信道空闲时才进行传输，从而避免冲突。虽然这种清晰的评估和避免冲突的方法很有用，但当客户端数量非常庞大时，效率就会降低。802.11ax 协议通过 OFDMA 和基于调度的资源分配解决了这个问题 [5]。802.11ax 接入点可以控制设备的运行时间，从而更高效地处理客户端连接。资源调度还可以显著降低睡眠期间的功耗，从而延长客户端的电池续航时间。表 4 列出了 802.11ac 和 802.11ax 协议之间的区别。Qorvo 丰富的 802.11ax 产品组合包括 2.4 GHz 和 5 GHz (FEM) 以及体声波 (BAW) 滤波器。该产品组合中节能高效的FEM技术可减轻Wi-Fi设备中MIMO支持带来的散热负担，从而帮助制造商缩小产品尺寸并降低成本。Qorvo的edgeBoost™（频段边缘）和coexBoost™（共存）BAW滤波器可提升Wi-Fi服务质量，并防止对相邻LTE频段造成干扰。