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Wi-Fi技术的演进

来源:电子产品世界发布时间:2021-03-23

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

摘要：在过去的20年中，通常被称为Wi-Fi的IEEE 802.11已从2 Mbps发展到千兆位以上的速度，吞吐能力提高了1 000倍。该标准通过引入诸如802.11n、802.11ac和802.11ax（Wi-Fi 6）等新协议不断推进自身发展（如图1）。新标准支持更高阶的调制方案，例如64 QAM、256 QAM和1024 QAM。这些新标准支持向单个客户端或多个客户端同时传输多个数据流；除提高峰值数据速率外，还努力加强了表征系统对可用频谱的利用程度的频谱效率。为提高网络效率和网络容量，已引入诸如多用户多输入多输出（MU-MIMO）和正交频分多址（OFDMA）等的多用户技术。Wi-Fi（802.11）标准一经发布和实施，世界便随着市场的开放及新技术的涌现而开始发生变化。每个新标准都建立在以前的标准基础之上，并在速度和可靠性层面有所改进。

图1 Wi-Fi协议的发展历程

1 Wi-Fi标准

如果您正寻求购置新的无线网络设备或移动设备，太多的选择和缩写会让您不知所措。自1997年Wi-Fi首次向消费者发布以来，其标准一直在不断发展，通常会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原始802.11标准中，其相应的补充标准（802.11b，802.11g等）也广为人知。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，包括信号随距离出现的衰减、调制速率和前向纠错编码、带宽、MIMO乘法器、保护间隔和典型错误率，典型速率会低于理论值。802.11家族由一系列使用相同基本协议的半双工空中调制技术组成。在本文中，我们将针对每个Wi-Fi标准的基础知识展开讨论。

表1 Wi-Fi历史

● 802.11-1997标准

802.11-1997是该系列中的首个无线标准，其于1997年发布，但现已过时。这一标准在采用了冲突避免功能的载波侦听多路访问协议（CSMA / CA）局域网（LAN）中，定义了空中数据通信设备的协议和兼容互连。该协议支持三种物理层技术，包括以1 Mbps工作的红外、支持1 Mbps和可选2 Mbps数据速率的跳频扩展频谱（FHSS），和同时支持1/2 Mbps数据速率的直接序列扩展频谱（DSSS）。由于互操作性问题、成本和缺乏足够的吞吐量，该协议未被广泛接受。

● 802.11b标准

802.11b产品于1999年中期投放市场。它的最大理论数据速率为11 Mbps，并采用与原始标准中定义的相同的CSMA/CA媒介访问方式。802.11b吞吐量的显著提高以及价格的大幅降低，使得802.11b作为一种无线技术被广泛接受。802.11b使用2.4~2.5 GHz的ISM非授权频段，是DSSS的直接扩展，并利用补码键控（CCK）作为其调制技术。802.11b用于点对多点配置，其中接入点与该接入点范围内的移动客户端进行通信。这一范围取决于射频环境、输出功率和接收机灵敏度。802.11b的信道带宽为22 MHz，可以以11 Mbps的速率运行，但会缩减到5.5 Mbps，再到2 Mbps，以及1 Mbps（自适应速率选择），来降低由于错误而导致的重播率

[1]

。802.11b标准与其它无线标准共享相同的频率带宽。因此，住宅内的无线设备，例如微波炉、蓝牙设备和无绳电话会对Wi-Fi造成干扰。

● 802.11a标准

802.11a采用与原始标准相同的核心协议，工作频率为5 GHz，使用52个子载波正交频分复用（OFDM），最大理论数据速率为54 Mbps，由此实现20 Mbps的实际吞吐量。其支持的其它数据速率包括6、9、12、18、24、36和48 Mbps。802.11a与802.11b由于在不同的非授权ISM频段中运行，因而无法互操作。鉴于2.4 GHz频段越来越拥挤，5 GHz频段给802.11a增添了显著优势，但因受制于高载波频率，整体有效范围小于802.11b/g。

802.11a产品最初由于成本因素、覆盖范围小且与802.11b不兼容而未被广泛接受。在52个OFDM子载波中，有48个用于数据，4个为导频子载波，载波间隔312.5 kHz。这些子载波中的每一个均可为BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM。信道带宽20 MHz，占用带宽16.6 MHz；符号持续时间为4微秒，其中包括0.8微秒的保护间隔。OFDM的优势包括减少接收中的多径效应和提高频谱效率

[2]

。表2列出了11a支持的不同调制及其各自理论数据速率。

● 802.11g标准

802.11g于2003年夏季上市。它使用与802.11a相同的OFDM技术，并像802.11a一样支持的最大理论速率为54Mbps；但也如同802.11b一样，在拥挤的2.4 GHz下运行，因而容易受到干扰等因素的影响。802.11g向后兼容802.11b（即802.11b设备可以连接到802.11g接入点）。802.11g能够兼容使用802.11a和802.11b/g的双频或双模接入点。

表2 20 MHz信道间隔的802.11a调制速率和数据速率

● 802.11n标准

802.11n的引入让Wi-Fi变得更快、更可靠；这一进步通过将MIMO和40 MHz信道添加至物理层（PHY）并将帧聚合添加到MAC层来实现。MIMO是一种使用多个发射和接收天线来利用多路径传播从而使无线链路容量倍增的方法。这些天线需要在空间上分离，以使从每个发射天线到每个接收天线的信号具有不同的空间特征，以便在接收机上可以将这些流分离为并行的独立信道。

以40 MHz带宽工作的信道，宽度可加倍，并在单个20 MHz信道上获得两倍的PHY数据速率。802.11n草案允许最多4个空间流，最大理论吞吐量为600 Mbps。

20 MHz信道拥有56个OFDM子载波，其中52个用于数据，4个为导频，载波间隔312.5 kHz。这些子载波中，每一个均可为BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM。总符号持续时间为3.6或4微秒，其中分别包括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，数据速率是流数的倍数）。802.11n支持帧聚合，其中多个MAC服务数据单元（MSDU）或MAC协议数据单元（MPDU）打包在一起，以减少开销并将其平均到多个帧上，以提高用户级别的数据速率。此外，802.11n向后兼容802.11g、11b和11a

[3]

。Qorvo一直是802.11n组件的领先供应商，提供包括功率放大器、低噪声放大器、交换机和集成前端模块（FEM）等产品。

表3 802.11n单个数据流的调制与数据速率

● 802.11ac标准

802.11ac以提供每秒千兆位的速度来为Wi-Fi提速，其通过扩展802.11n概念而实现，其中包括更宽的带宽（最高160 MHz）、更多的MIMO空间流（最高8个）、下行链路多用户MIMO（最多4个客户端）和高密度调制（最高256 QAM）。802.11ac支持3/4、5/6编码速率（MCS8/9）下的256 QAM，这要求更严格的6 dB系统级EVM（-34 dB）要求。Qorvo的11ac组件能够轻松满足这些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的802.11n。2013年发布的首批802.11ac仅支持80 MHz信道和最多3个空间流，在物理层提供最高1300 Mbps的速度。第二波产品（802.11ac Wave 2）于2015年发布，支持更多信道绑定、更多空间流和MU-MIMO。MUMIMO是802.11ac的重大进步——虽然MIMO把多个流定向到单个用户，但MU-MIMO可以将空间流同时定向至多个客户端，从而提高了网络效率。此外，802.11ac采用一种称为波束成型的技术；通过波束成形，天线基本上可以将无线电信号发射到特定的设备上。802.11ac路由器向后兼容802.11b、11g、11a和11n，这意味着所有传统客户端都可以与802.11ac路由器正常工作[4]。

● Wi-Fi 6或802.11ax标准

802.11ax是在802.11ac优势的基础上构建的第六代Wi-Fi，可提供更大的无线容量和可靠性。802.11ax通过应用更密集的调制（1024 QAM、OFDMA）、降低子载波间隔（78.125 kHz），和基于经调度的资源分配来获得这些优势。与802.11ac不同，802.11ax为2.4和5 GHz双频技术，并旨在实现最大兼容性，可与802.11a/g/n/ac客户端高效共存。802.11ax采用OFDMA，允许资源单元（RU）根据客户端的需求划分带宽，并以更快的速度为多位用户带来相同的体验。在802.11ac中每个PLCP协议数据单元（PPDU）中载波的任何给定点，Wi-Fi信道被分解为更小的OFDM子信道集。然而，由于OFDMA（802.11ax），其会在每个PPDU的基础上将各个子载波组分别作为资源单元分配给客户端（图2）。

早期802.11标准的CSMA/CA方法中，无线客户端首先感知信道，只有在感知到信道为空闲时才进行传输，从而试图避免冲突。虽然这种清晰的评估和避免冲突的方法很有用，但当客户端数量增长非常大时便会降低效率。802.11ax协议通过OFDMA和基于调度的资源分配解决了这一问题

[5]

。802.11ax接入点规定了设备何时运行，因此处理客户端的效率更高。资源调度还可以显著降低睡眠时间的功耗，从而提高客户端的电池寿命。表4列出了802.11ac和802.11ax协议间的差异。Qorvo广泛的802.11ax产品组合包括2.4 GHz和5 GHz（FEM）及体声波（BAW）滤波器。该产品组合的高能效FEM减轻了Wi-Fi设备中与支持MIMO相关联的散热负担，使制造商能够降低产品尺寸和成本。Qorvo的edgeBoostTM（带缘）和coexBoostTM（共存）BAW滤波器可改善Wi-Fi服务质量，并防止对相邻LTE频率的干扰。

表4 802.11ac与802.11ax对比