Wi-Fi技術的演變

2021-12-28 570

在過去的 20 年裡，該標準不斷發展，引入了 802.11n、802.11ac 和 802.11ax（Wi-Fi 6）等新協議。新標準支援更高階的調變方案，例如 64 QAM、256 QAM 和 1024 QAM。這些新標準支援同時向單一客戶端或多個客戶端傳輸多個資料流；除了提高峰值資料速率外，還致力於提升頻譜效率，頻譜效率表徵系統對可用頻譜的利用程度。為了提高網路效率和網路容量，引入了多用戶技術，例如多用戶多輸入多輸出 (MU-MIMO) 和正交頻分多址 (OFDMA)。 Wi-Fi (802.11) 標準發布並實施後，隨著市場的開放和新技術的湧現，世界開始發生變化。每個新標準都在前一個標準的基礎上進行改進，提升速度和可靠性。

無線網絡標準

如果您打算購買新的無線網路設備或行動設備，面對琳瑯滿目的選擇和各種縮寫，您可能會感到不知所措。自 1997 年 Wi-Fi 首次向消費者發布以來，其標準不斷發展演進，通常能夠帶來更快的速度和更高的網路/頻譜效率。隨著更多功能被添加到最初的 802.11 標準中，相應的補充標準（802.11b、802.11g 等）也隨之出現。表 1 列出了不同的標準以及基於這些標準可以達到的最大理論數據速率。由於多種因素的影響，實際速率通常會低於理論值，這些因素包括訊號隨距離的衰減、調製速率和前向錯誤編碼、頻寬、MIMO 倍頻器、保護間隔以及典型誤碼率。 802.11 系列包含一系列使用相同基本協議的半雙工空中調製技術。在本文中，我們將討論每種 Wi-Fi 標準的基礎知識。

表1無線網絡歷史

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997 是該系列中的第一個無線標準，於 1997 年發布，但現已過時。此標準定義了載波偵聽多路存取協定 (CSMA/CA) 區域網路 (LAN) 中空中資料通訊設備的協定和相容互連，並具有衝突避免機制。該協定支援三種實體層技術，包括工作速率為 1 Mbps 的紅外線技術、支援 1 Mbps 和可選 2 Mbps 資料速率的跳頻擴頻 (FHSS) 技術，以及同樣支援 1/2 Mbps 資料速率的直接序列擴頻 (DSSS) 技術。由於互通性問題、成本高昂以及吞吐量不足，該協定並未廣泛應用。

>> 802.11b standard

802.11b 產品於 1999 年中上市。其理論最大資料速率為 11 Mbps，並採用與原始標準相同的 CSMA/CA 媒體存取機制。 802.11b 吞吐量的顯著提升以及價格的大幅下降，使其作為一種無線技術得到了廣泛應用。 802.11b 使用 2.4~2.5 GHz 的 ISM 免授權頻段，是 DSSS 的直接擴展，並採用互補碼鍵控 (CCK) 作為其調變技術。 802.11b 應用於點對多點配置，其中接入點與覆蓋範圍內的行動用戶端進行通訊。

此範圍取決於射頻環境、輸出功率和接收器靈敏度。 802.11b 具有 22 MHz 的頻道頻寬，最高運轉速率可達 11 Mbps，但會根據錯誤情況自動調整速率，降至 5.5 Mbps、2 Mbps 甚至 1 Mbps（自適應速率選擇）以降低重播速率 [1]。 802.11b 標準與其他無線標準共享相同的頻寬。因此，家中的無線設備，例如微波爐、藍牙設備和無線電話，可能會對 Wi-Fi 造成乾擾。

>> 802.11a standard

802.11a 使用與原始標準相同的核心協議，工作頻率為 5 GHz，採用 52 個子載波的正交頻分複用 (OFDM) 技術，理論最大資料速率為 54 Mbps，實際吞吐量為 20 Mbps。它還支援 6、9、12、18、24、36 和 48 Mbps 等其他資料速率。 802.11a 和 802.11b 無法互通，因為它們工作在不同的免許可 ISM 頻段。隨著 2.4 GHz 頻段日益擁擠，5 GHz 頻段為 802.11a 帶來了顯著優勢，但由於載波頻率較高，其整體有效覆蓋範圍小於 802.11b/g。

由於成本、覆蓋範圍有限以及與 802.11b 不相容等因素，802.11a 產品最初並未廣泛應用。在 52 個 OFDM 子載波中，48 個用於資料傳輸，4 個用於導頻傳輸，載波間隔為 312.5 kHz。每個子載波均可採用 BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM 調變方式。頻道頻寬為 20 MHz，佔用頻寬為 16.6 MHz；符號持續時間為 4 微秒，包含 0.8 微秒的保護間隔。 OFDM 的優點包括降低接收中的多路徑效應並提高頻譜效率 [2]。表 2 列出了 11a 支援的不同調變方式及其各自的理論資料速率。

表2802.11a 調變速率和資料速率，頻道間隔為 20 MHz。

>> 802.11g standard

802.11g 於 2003 年夏季發布。它採用與 802.11a 相同的 OFDM 技術，並且與 802.11a 一樣，支持最高 54Mbps 的理論速率；但與 802.11b 一樣，它工作在擁擠的 2.4 GHz 頻段，因此容易受到干擾和其他因素的影響。 802.11g 向下相容 802.11b（即，802.11b 裝置可以連接到 802.11g 存取點）。 802.11g 與使用 802.11a 和 802.11b/g 的雙頻或雙模存取點相容。

>> 802.11n standard

802.11n 的引入使 Wi-Fi 的速度更快、更可靠；這一進步是透過在實體層 (PHY) 中添加 MIMO 和 40 MHz 通道，以及在 MAC 層添加幀聚合來實現的。 MIMO 是一種利用多路徑傳播，透過多個發射和接收天線來倍增無線鏈路容量的方法。這些天線需要在空間上分離，使得每個發射天線到每個接收天線的訊號具有不同的空間特性，從而可以在接收端將這些訊號流分離成並行的獨立通道。

工作頻寬為 40 MHz 的頻道可以加寬一倍，從而在單一 20 MHz 頻道上實現兩倍的實體層資料速率。 802.11n 草案允許最多 4 個空間流，理論最大吞吐量為 600 Mbps。

20 MHz 頻道有 56 個 OFDM 子載波，其中 52 個用於數據，4 個用於導頻，載波間隔為 312.5 kHz。每個子載波可以採用 BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM 調變方式。符號持續時間分別為 3.6 或 4 微秒，包含 0.4 或 0.8 微秒的保護間隔。表 3 列出了單一資料流的不同調變和編碼方案（對於多個資料流，資料速率是資料流數量的倍數）。 802.11n 支援幀聚合，即將多個 MAC 服務資料單元 (MSDU) 或 MAC 協定資料單元 (MPDU) 打包在一起，以減少開銷，並在多個幀上進行平均，從而提高用戶級資料速率。此外，802.11n 向下相容 802.11g、11b 和 11a[3]。 Qorvo 一直是 802.11n 組件的領先供應商，產品包括功率放大器、低雜訊放大器、開關和整合式前端模組 (FEM)。

表3802.11n 調變方式和單一資料流的資料速率

>> 802.11ac standard

802.11ac 透過擴展 802.11n 的概念，提供更寬的頻寬（高達 160 MHz）、更多的 MIMO 空間流（高達 8 個）、下行多用戶 MIMO（高達 4 個用戶端）以及高密度調變（高達 256 QAM），從而每秒千兆位元的速度提升。 802.11ac 支援 3/4 和 5/6 碼率的 256 QAM（MCS8/9），這需要更嚴格的系統級 EVM 要求，即 6 dB（-34 dB）。 Qorvo 的 11ac 元件輕鬆滿足這些 EVM 要求。 802.11ac 僅在 5 GHz 頻段工作，因此雙頻存取點和用戶端將繼續使用 2.4 GHz 頻段的 802.11n。 2013 年發布的首批 802.11ac 標準僅支援 80 MHz 頻道和最多 3 個空間流，物理層速度最高可達 1300 Mbps。第二批產品（802.11ac Wave 2）於 2015 年發布，支援更多頻道綁定、更多空間流以及 MU-MIMO 技術。 MU-MIMO 是 802.11ac 的一項重大進步——MIMO 將多個空間流定向到單一用戶，而 MU-MIMO 可以同時將多個空間流定向到多個客戶端，從而提高網路效率。此外，802.11ac 還採用了一種稱為波束成形的技術；波束成形技術是指天線將無線訊號定向到特定設備。 802.11ac 路由器向下相容 802.11b、11g、11a 和 11n，這表示所有舊款用戶端都可以與 802.11ac 路由器正常運作[4]。

>>Wi-Fi 6 或 802.11ax 標準

802.11ax 是第六代 Wi-Fi 標準，它在 802.11ac 的基礎上進行了擴展，提供了更高的無線容量和可靠性。 802.11ax 透過採用更密集的調變方式（1024 QAM、OFDMA）、減小子載波間隔（78.125 kHz）以及基於調度資源分配來實現這些優勢。與 802.11ac 不同，802.11ax 採用 2.4 GHz 和 5 GHz 雙頻技術，旨在實現與 802.11a/g/n/ac 用戶端的最大相容性，從而高效共存。 802.11ax 使用 OFDMA 技術，允許資源單元 (RU) 根據客戶端需求劃分頻寬，並以更快的速度為多個使用者提供相同的體驗。在 802.11ac 中，每個 PLCP 協定資料單元 (PPDU) 的載波上，Wi-Fi 通道被分解成一組較小的 OFDM 子頻道。然而，由於 OFDMA（802.11ax），每個子載波組都是以 PPDU 分配給客戶端的資源單元（圖 2）。

圖2 OFDM 和 OFDMA 資源分配比較

在早期 802.11 標準的 CSMA/CA 機制中，無線用戶端首先偵測頻道，僅在偵測到頻道空閒時才進行傳輸，從而避免衝突。雖然這種清晰的評估和避免衝突的方法很有用，但當客戶數量非常龐大時，效率就會降低。 802.11ax 協定透過 OFDMA 和基於調度的資源分配解決了這個問題 [5]。 802.11ax 接入點可以控制裝置的運作時間，從而更有效率地處理客戶端連線。資源調度還可以顯著降低睡眠期間的功耗，從而延長客戶端的電池續航時間。表 4 列出了 802.11ac 和 802.11ax 協定之間的差異。 Qorvo 豐富的 802.11ax 產品組合包括 2.4 GHz 和 5 GHz (FEM) 以及體聲波 (BAW) 濾波器。此產品組合中節能高效的FEM技術可減輕Wi-Fi設備中MIMO支援帶來的散熱負擔，從而幫助製造商縮小產品尺寸並降低成本。 Qorvo的edgeBoost™（頻段邊緣）和coexBoost™（共存）BAW濾波器可提升Wi-Fi服務質量，並防止對相鄰LTE頻段造成乾擾。