Wi-Fi技術的演進

作者：Jaidev Sharma（Qorvo無線通信業(yè)務部應用工程總監(jiān) ）時間：2021-03-23 來源：電子產品世界

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作者簡介：Jaidev Sharma，應用工程總監(jiān)，擁有超過12年的RF與系統研發(fā)經驗，領域涉及Wi-Fi、物聯網、LTE等多種無線系統；其負責管理Qorvo無線通信業(yè)務部門的Wi-Fi應用團隊，并為全球客戶提供支持。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202103/423809.htm

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。該標準通過引入諸如802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi-Fi 6）等新協議不斷推進自身發(fā)展（如圖1）。新標準支持更高階的調制方案，例如64 QAM、256 QAM和1024 QAM。這些新標準支持向單個客戶端或多個客戶端同時傳輸多個數據流；除提高峰值數據速率外，還努力加強了表征系統對可用頻譜的利用程度的頻譜效率。為提高網絡效率和網絡容量，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。Wi-Fi（802.11）標準一經發(fā)布和實施，世界便隨著市場的開放及新技術的涌現而開始發(fā)生變化。每個新標準都建立在以前的標準基礎之上，并在速度和可靠性層面有所改進。

圖1 Wi-Fi協議的發(fā)展歷程

1 Wi-Fi標準

如果您正尋求購置新的無線網絡設備或移動設備，太多的選擇和縮寫會讓您不知所措。自1997年Wi-Fi首次向消費者發(fā)布以來，其標準一直在不斷發(fā)展，通常會帶來更快的速度和更高的網絡/頻譜效率。隨著更多功能被添加到原始802.11標準中，其相應的補充標準（802.11b，802.11g等）也廣為人知。表1列出了不同的標準以及基于這些標準可以達到的最大理論數據速率。由于多種因素的影響，包括信號隨距離出現的衰減、調制速率和前向糾錯編碼、帶寬、MIMO乘法器、保護間隔和典型錯誤率，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議的半雙工空中調制技術組成。在本文中，我們將針對每個Wi-Fi標準的基礎知識展開討論。

表1 Wi-Fi歷史

● 802.11-1997標準

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

● 802.11b標準

802.11b產品于1999年中期投放市場。它的最大理論數據速率為11 Mbps，并采用與原始標準中定義的相同的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作為一種無線技術被廣泛接受。802.11b使用2.4~2.5 GHz的ISM非授權頻段，是DSSS的直接擴展，并利用補碼鍵控（CCK）作為其調制技術。802.11b用于點對多點配置，其中接入點與該接入點范圍內的移動客戶端進行通信。這一范圍取決于射頻環(huán)境、輸出功率和接收機靈敏度。802.11b的信道帶寬為22 MHz，可以以11 Mbps的速率運行，但會縮減到5.5 Mbps，再到2 Mbps，以及1 Mbps（自適應速率選擇），來降低由于錯誤而導致的重播率^[1]。802.11b標準與其它無線標準共享相同的頻率帶寬。因此，住宅內的無線設備，例如微波爐、藍牙設備和無繩電話會對Wi-Fi造成干擾。

● 802.11a標準

802.11a采用與原始標準相同的核心協議，工作頻率為5 GHz，使用52個子載波正交頻分復用（OFDM），最大理論數據速率為54 Mbps，由此實現20 Mbps的實際吞吐量。其支持的其它數據速率包括6、9、12、18、24、36和48 Mbps。802.11a與802.11b由于在不同的非授權ISM頻段中運行，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個用于數據，4個為導頻子載波，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微秒的保護間隔。OFDM的優(yōu)勢包括減少接收中的多徑效應和提高頻譜效率^[2]。表2列出了11a支持的不同調制及其各自理論數據速率。

● 802.11g標準

802.11g于2003年夏季上市。它使用與802.11a相同的OFDM技術，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設備可以連接到802.11g接入點）。802.11g能夠兼容使用802.11a和802.11b/g的雙頻或雙模接入點。

表2 20 MHz信道間隔的802.11a調制速率和數據速率

● 802.11n標準

802.11n的引入讓Wi-Fi變得更快、更可靠；這一進步通過將MIMO和40 MHz信道添加至物理層（PHY）并將幀聚合添加到MAC層來實現。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，以便在接收機上可以將這些流分離為并行的獨立信道。

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數據速率。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個用于數據，4個為導頻，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微秒的保護間隔。表3列出了單個數據流的不同調制和編碼方案（對于多個數據流，數據速率是流數的倍數）。802.11n支持幀聚合，其中多個MAC服務數據單元（MSDU）或MAC協議數據單元（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據速率。此外，802.11n向后兼容802.11g、11b和11a^[3]。Qorvo一直是802.11n組件的領先供應商，提供包括功率放大器、低噪聲放大器、交換機和集成前端模塊（FEM）等產品。

表3 802.11n單個數據流的調制與數據速率

● 802.11ac標準

802.11ac以提供每秒千兆位的速度來為Wi-Fi提速，其通過擴展802.11n概念而實現，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，這要求更嚴格的6 dB系統級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，從而提高了網絡效率。此外，802.11ac采用一種稱為波束成型的技術；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，這意味著所有傳統客戶端都可以與802.11ac路由器正常工作[4]。

● Wi-Fi 6或802.11ax標準

802.11ax是在802.11ac優(yōu)勢的基礎上構建的第六代Wi-Fi，可提供更大的無線容量和可靠性。802.11ax通過應用更密集的調制（1024 QAM、OFDMA）、降低子載波間隔（78.125 kHz），和基于經調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，并旨在實現最大兼容性，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。在802.11ac中每個PLCP協議數據單元（PPDU）中載波的任何給定點，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標準的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，但當客戶端數量增長非常大時便會降低效率。802.11ax協議通過OFDMA和基于調度的資源分配解決了這一問題^[5]。802.11ax接入點規(guī)定了設備何時運行，因此處理客戶端的效率更高。資源調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協議間的差異。Qorvo廣泛的802.11ax產品組合包括2.4 GHz和5 GHz（FEM）及體聲波（BAW）濾波器。該產品組合的高能效FEM減輕了Wi-Fi設備中與支持MIMO相關聯的散熱負擔，使制造商能夠降低產品尺寸和成本。Qorvo的edgeBoostTM（帶緣）和coexBoostTM（共存）BAW濾波器可改善Wi-Fi服務質量，并防止對相鄰LTE頻率的干擾。

表4 802.11ac與802.11ax對比