Wi-Fi技術(shù)的演進(jìn)

作者簡介：Jaidev Sharma，應(yīng)用工程總監(jiān)，擁有超過12年的RF與系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，領(lǐng)域涉及Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)、LTE等多種無線系統(tǒng)；其負(fù)責(zé)管理Qorvo無線通信業(yè)務(wù)部門的Wi-Fi應(yīng)用團(tuán)隊，并為全球客戶提供支持。

摘要：在過去的20年中，通常被稱為Wi-Fi的IEEE 802.11已從2 Mbps發(fā)展到千兆位以上的速度，吞吐能力提高了1 000倍。該標(biāo)準(zhǔn)通過引入諸如802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi-Fi 6）等新協(xié)議不斷推進(jìn)自身發(fā)展（如圖1）。新標(biāo)準(zhǔn)支持更高階的調(diào)制方案，例如64 QAM、256 QAM和1024 QAM。這些新標(biāo)準(zhǔn)支持向單個客戶端或多個客戶端同時傳輸多個數(shù)據(jù)流；除提高峰值數(shù)據(jù)速率外，還努力加強(qiáng)了表征系統(tǒng)對可用頻譜的利用程度的頻譜效率。為提高網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)容量，已引入諸如多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）和正交頻分多址（OFDMA）等的多用戶技術(shù)。Wi-Fi（802.11）標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)發(fā)布和實(shí)施，世界便隨著市場的開放及新技術(shù)的涌現(xiàn)而開始發(fā)生變化。每個新標(biāo)準(zhǔn)都建立在以前的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，并在速度和可靠性層面有所改進(jìn)。

圖1 Wi-Fi協(xié)議的發(fā)展歷程

1   Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)

如果您正尋求購置新的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或移動設(shè)備，太多的選擇和縮寫會讓您不知所措。自1997年Wi-Fi首次向消費(fèi)者發(fā)布以來，其標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷發(fā)展，通常會帶來更快的速度和更高的網(wǎng)絡(luò)/頻譜效率。隨著更多功能被添加到原始802.11標(biāo)準(zhǔn)中，其相應(yīng)的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)（802.11b，802.11g等）也廣為人知。表1列出了不同的標(biāo)準(zhǔn)以及基于這些標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到的最大理論數(shù)據(jù)速率。由于多種因素的影響，包括信號隨距離出現(xiàn)的衰減、調(diào)制速率和前向糾錯編碼、帶寬、MIMO乘法器、保護(hù)間隔和典型錯誤率，典型速率會低于理論值。802.11家族由一系列使用相同基本協(xié)議的半雙工空中調(diào)制技術(shù)組成。在本文中，我們將針對每個Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)知識展開討論。

表1 Wi-Fi歷史

●   802.11-1997標(biāo)準(zhǔn)

802.11-1997是該系列中的首個無線標(biāo)準(zhǔn)，其于1997年發(fā)布，但現(xiàn)已過時。這一標(biāo)準(zhǔn)在采用了沖突避免功能的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA / CA）局域網(wǎng)（LAN）中，定義了空中數(shù)據(jù)通信設(shè)備的協(xié)議和兼容互連。該協(xié)議支持三種物理層技術(shù)，包括以1 Mbps工作的紅外、支持1 Mbps和可選2 Mbps數(shù)據(jù)速率的跳頻擴(kuò)展頻譜（FHSS），和同時支持1/2 Mbps數(shù)據(jù)速率的直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）。由于互操作性問題、成本和缺乏足夠的吞吐量，該協(xié)議未被廣泛接受。

●   802.11b標(biāo)準(zhǔn)

802.11b產(chǎn)品于1999年中期投放市場。它的最大理論數(shù)據(jù)速率為11 Mbps，并采用與原始標(biāo)準(zhǔn)中定義的相同的CSMA/CA媒介訪問方式。802.11b吞吐量的顯著提高以及價格的大幅降低，使得802.11b作為一種無線技術(shù)被廣泛接受。802.11b使用2.4~2.5 GHz的ISM非授權(quán)頻段，是DSSS的直接擴(kuò)展，并利用補(bǔ)碼鍵控（CCK）作為其調(diào)制技術(shù)。802.11b用于點(diǎn)對多點(diǎn)配置，其中接入點(diǎn)與該接入點(diǎn)范圍內(nèi)的移動客戶端進(jìn)行通信。這一范圍取決于射頻環(huán)境、輸出功率和接收機(jī)靈敏度。802.11b的信道帶寬為22 MHz，可以以11 Mbps的速率運(yùn)行，但會縮減到5.5 Mbps，再到2 Mbps，以及1 Mbps（自適應(yīng)速率選擇），來降低由于錯誤而導(dǎo)致的重播率^[1] 。802.11b標(biāo)準(zhǔn)與其它無線標(biāo)準(zhǔn)共享相同的頻率帶寬。因此，住宅內(nèi)的無線設(shè)備，例如微波爐、藍(lán)牙設(shè)備和無繩電話會對Wi-Fi造成干擾。

●   802.11a標(biāo)準(zhǔn)

802.11a采用與原始標(biāo)準(zhǔn)相同的核心協(xié)議，工作頻率為5 GHz，使用52個子載波正交頻分復(fù)用（OFDM），最大理論數(shù)據(jù)速率為54 Mbps，由此實(shí)現(xiàn)20 Mbps的實(shí)際吞吐量。其支持的其它數(shù)據(jù)速率包括6、9、12、18、24、36和48 Mbps。802.11a與802.11b由于在不同的非授權(quán)ISM頻段中運(yùn)行，因而無法互操作。鑒于2.4 GHz頻段越來越擁擠，5 GHz頻段給802.11a增添了顯著優(yōu)勢，但因受制于高載波頻率，整體有效范圍小于802.11b/g。

802.11a產(chǎn)品最初由于成本因素、覆蓋范圍小且與802.11b不兼容而未被廣泛接受。在52個OFDM子載波中，有48個用于數(shù)據(jù)，4個為導(dǎo)頻子載波，載波間隔312.5 kHz。這些子載波中的每一個均可為BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM。信道帶寬20 MHz，占用帶寬16.6 MHz；符號持續(xù)時間為4微秒，其中包括0.8微秒的保護(hù)間隔。OFDM的優(yōu)勢包括減少接收中的多徑效應(yīng)和提高頻譜效率^[2]。表2列出了11a支持的不同調(diào)制及其各自理論數(shù)據(jù)速率。

●   802.11g標(biāo)準(zhǔn)

802.11g于2003年夏季上市。它使用與802.11a相同的OFDM技術(shù)，并像802.11a一樣支持的最大理論速率為54Mbps；但也如同802.11b一樣，在擁擠的2.4 GHz下運(yùn)行，因而容易受到干擾等因素的影響。802.11g向后兼容802.11b（即802.11b設(shè)備可以連接到802.11g接入點(diǎn)）。802.11g能夠兼容使用802.11a和802.11b/g的雙頻或雙模接入點(diǎn)。

表2 20 MHz信道間隔的802.11a調(diào)制速率和數(shù)據(jù)速率

●   802.11n標(biāo)準(zhǔn)

802.11n的引入讓W(xué)i-Fi變得更快、更可靠；這一進(jìn)步通過將MIMO和40 MHz信道添加至物理層（PHY）并將幀聚合添加到MAC層來實(shí)現(xiàn)。MIMO是一種使用多個發(fā)射和接收天線來利用多路徑傳播從而使無線鏈路容量倍增的方法。這些天線需要在空間上分離，以使從每個發(fā)射天線到每個接收天線的信號具有不同的空間特征，以便在接收機(jī)上可以將這些流分離為并行的獨(dú)立信道。

以40 MHz帶寬工作的信道，寬度可加倍，并在單個20 MHz信道上獲得兩倍的PHY數(shù)據(jù)速率。802.11n草案允許最多4個空間流，最大理論吞吐量為600 Mbps。

20 MHz信道擁有56個OFDM子載波，其中52個用于數(shù)據(jù)，4個為導(dǎo)頻，載波間隔312.5 kHz。這些子載波中，每一個均可為BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM?？偡柍掷m(xù)時間為3.6或4微秒，其中分別包括0.4或0.8微秒的保護(hù)間隔。表3列出了單個數(shù)據(jù)流的不同調(diào)制和編碼方案（對于多個數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)速率是流數(shù)的倍數(shù)）。802.11n支持幀聚合，其中多個MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）或MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）打包在一起，以減少開銷并將其平均到多個幀上，以提高用戶級別的數(shù)據(jù)速率。此外，802.11n向后兼容802.11g、11b和11a^[3]。Qorvo一直是802.11n組件的領(lǐng)先供應(yīng)商，提供包括功率放大器、低噪聲放大器、交換機(jī)和集成前端模塊（FEM）等產(chǎn)品。

表3 802.11n單個數(shù)據(jù)流的調(diào)制與數(shù)據(jù)速率

●   802.11ac標(biāo)準(zhǔn)

802.11ac以提供每秒千兆位的速度來為Wi-Fi提速，其通過擴(kuò)展802.11n概念而實(shí)現(xiàn)，其中包括更寬的帶寬（最高160 MHz）、更多的MIMO空間流（最高8個）、下行鏈路多用戶MIMO（最多4個客戶端）和高密度調(diào)制（最高256 QAM）。802.11ac支持3/4、5/6編碼速率（MCS8/9）下的256 QAM，這要求更嚴(yán)格的6 dB系統(tǒng)級EVM（-34 dB）要求。Qorvo的11ac組件能夠輕松滿足這些EVM要求。802.11ac僅在5 GHz頻段工作，因此雙頻接入點(diǎn)和客戶端將繼續(xù)使用2.4 GHz的802.11n。2013年發(fā)布的首批802.11ac僅支持80 MHz信道和最多3個空間流，在物理層提供最高1300 Mbps的速度。第二波產(chǎn)品（802.11ac Wave 2）于2015年發(fā)布，支持更多信道綁定、更多空間流和MU-MIMO。MUMIMO是802.11ac的重大進(jìn)步——雖然MIMO把多個流定向到單個用戶，但MU-MIMO可以將空間流同時定向至多個客戶端，從而提高了網(wǎng)絡(luò)效率。此外，802.11ac采用一種稱為波束成型的技術(shù)；通過波束成形，天線基本上可以將無線電信號發(fā)射到特定的設(shè)備上。802.11ac路由器向后兼容802.11b、11g、11a和11n，這意味著所有傳統(tǒng)客戶端都可以與802.11ac路由器正常工作[4]。

●   Wi-Fi 6或802.11ax標(biāo)準(zhǔn)

802.11ax是在802.11ac優(yōu)勢的基礎(chǔ)上構(gòu)建的第六代Wi-Fi，可提供更大的無線容量和可靠性。802.11ax通過應(yīng)用更密集的調(diào)制（1024 QAM、OFDMA）、降低子載波間隔（78.125 kHz），和基于經(jīng)調(diào)度的資源分配來獲得這些優(yōu)勢。與802.11ac不同，802.11ax為2.4和5 GHz雙頻技術(shù)，并旨在實(shí)現(xiàn)最大兼容性，可與802.11a/g/n/ac客戶端高效共存。802.11ax采用OFDMA，允許資源單元（RU）根據(jù)客戶端的需求劃分帶寬，并以更快的速度為多位用戶帶來相同的體驗(yàn)。在802.11ac中每個PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）中載波的任何給定點(diǎn)，Wi-Fi信道被分解為更小的OFDM子信道集。然而，由于OFDMA（802.11ax），其會在每個PPDU的基礎(chǔ)上將各個子載波組分別作為資源單元分配給客戶端（圖2）。

早期802.11標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方法中，無線客戶端首先感知信道，只有在感知到信道為空閑時才進(jìn)行傳輸，從而試圖避免沖突。雖然這種清晰的評估和避免沖突的方法很有用，但當(dāng)客戶端數(shù)量增長非常大時便會降低效率。802.11ax協(xié)議通過OFDMA和基于調(diào)度的資源分配解決了這一問題^[5]。802.11ax接入點(diǎn)規(guī)定了設(shè)備何時運(yùn)行，因此處理客戶端的效率更高。資源調(diào)度還可以顯著降低睡眠時間的功耗，從而提高客戶端的電池壽命。表4列出了802.11ac和802.11ax協(xié)議間的差異。Qorvo廣泛的802.11ax產(chǎn)品組合包括2.4 GHz和5 GHz（FEM）及體聲波（BAW）濾波器。該產(chǎn)品組合的高能效FEM減輕了Wi-Fi設(shè)備中與支持MIMO相關(guān)聯(lián)的散熱負(fù)擔(dān)，使制造商能夠降低產(chǎn)品尺寸和成本。Qorvo的edgeBoostTM（帶緣）和coexBoostTM（共存）BAW濾波器可改善Wi-Fi服務(wù)質(zhì)量，并防止對相鄰LTE頻率的干擾。

表4 802.11ac與802.11ax對比

2   總結(jié)

Qorvo是Wi-Fi連接解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，并占有重要的市場份額。Qorvo的RF組件產(chǎn)品組合提供了高效的解決方案，以最小的外形尺寸實(shí)現(xiàn)可靠的覆蓋，助力整體覆蓋范圍、容量和吞吐量的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11b-1999 .

[2] http://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/89600b/webhelp/subsystems/wlan-ofdm/content/ofdm_80211-overview.htm .

[3] 802.11n: A Survival Guide, Book by Matthew Gast

[4] 802.11ac: A Survival Guide, Book by Matthew Gast .

[5] http://www.ni.com/white-paper/53150/en/.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年第9期）