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Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展歷程與標(biāo)準(zhǔn)

Qorvo半導(dǎo)體 ? 來源:電子產(chǎn)品世界 ? 作者:Jaidev Sharma ? 2021-03-29 16:04 ? 次閱讀
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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 1000 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(gè)客戶端或多個(gè)客戶端同時(shí)傳輸多個(gè)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(gè)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)。

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圖1 Wi-Fi 協(xié)議的發(fā)展歷程

1Wi-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(dòng)設(shè)備,太多的選擇和縮寫會(huì)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(huì)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(cuò)編碼、帶寬、MIMO 乘法器、保護(hù)間隔和典型錯(cuò)誤率,典型速率會(huì)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(gè) Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)知識展開討論。

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表1 Wi-Fi 歷史

802.11-1997 標(biāo)準(zhǔn)

802.11-1997 是該系列中的首個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn),其于 1997 年發(fā)布,但現(xiàn)已過時(shí)。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(shí)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(jià)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(dòng)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(huì)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(cuò)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(huì)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(gè)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(gè) OFDM 子載波中,有 48 個(gè)用于數(shù)據(jù),4 個(gè)為導(dǎo)頻子載波,載波間隔 312.5 kHz。這些子載波中的每一個(gè)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(shí)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。

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

802.11n 標(biāo)準(zhǔn)

802.11n 的引入讓 Wi-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(gè)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(gè)發(fā)射天線到每個(gè)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(gè) 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(gè)空間流,最大理論吞吐量為 600 Mbps。

20 MHz 信道擁有 56 個(gè) OFDM 子載波,其中 52 個(gè)用于數(shù)據(jù),4 個(gè)為導(dǎo)頻,載波間隔 312.5 kHz。這些子載波中,每一個(gè)均可為 BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM。總符號持續(xù)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)流的不同調(diào)制和編碼方案(對于多個(gè)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(gè) 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(gè)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。

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表3 802.11n 單個(gè)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(gè))、下行鏈路多用戶 MIMO(最多 4 個(gè)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(gè)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(gè)流定向到單個(gè)用戶,但 MU-MIMO 可以將空間流同時(shí)定向至多個(gè)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(gè) 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(huì)在每個(gè) PPDU 的基礎(chǔ)上將各個(gè)子載波組分別作為資源單元分配給客戶端(圖2)。

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圖2 OFDM 與 OFDMA 資源分配對比

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(shí)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(shí)便會(huì)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(shí)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(shí)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。

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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。
編輯:lyn

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    Wi-Fi Halow是Wi-Fi聯(lián)盟推出的專門面向物聯(lián)網(wǎng)市場的標(biāo)準(zhǔn)。
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    最典型的3家<b class='flag-5'>Wi-Fi</b> Halow芯片企業(yè)