Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展歷程與標(biāo)準(zhǔn)

摘要：在過(guò)去的 20 年中，通常被稱(chēng)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(guò)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(hù)端或多個(gè)客戶(hù)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(duì)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(hù)多輸入多輸出（MU-MIMO）和正交頻分多址（OFDMA）等的多用戶(hù)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(chǎng)的開(kāi)放及新技術(shù)的涌現(xiàn)而開(kāi)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)。

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(gòu)置新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備，太多的選擇和縮寫(xiě)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(lái)，其標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷發(fā)展，通常會(huì)帶來(lái)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(hào)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(duì)每個(gè) Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)知識(shí)展開(kāi)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(gè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，其于 1997 年發(fā)布，但現(xiàn)已過(guò)時(shí)。這一標(biāo)準(zhǔn)在采用了沖突避免功能的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)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(wèn)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(chǎng)。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(fǎng)問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(duì)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(hù)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(lái)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(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)共享相同的頻率帶寬。因此，住宅內(nèi)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備，例如微波爐、藍(lán)牙設(shè)備和無(wú)繩電話(huà)會(huì)對(duì) 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(wú)法互操作。鑒于 2.4 GHz 頻段越來(lái)越擁擠，5 GHz 頻段給 802.11a 增添了顯著優(yōu)勢(shì)，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(hào)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(shì)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。

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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。MIMO 是一種使用多個(gè)發(fā)射和接收天線(xiàn)來(lái)利用多路徑傳播從而使無(wú)線(xiàn)鏈路容量倍增的方法。這些天線(xiàn)需要在空間上分離，以使從每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)到每個(gè)接收天線(xiàn)的信號(hào)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?？偡?hào)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(duì)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(kāi)銷(xiāo)并將其平均到多個(gè)幀上，以提高用戶(hù)級(jí)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(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(lái)為 Wi-Fi 提速，其通過(guò)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(hù) MIMO（最多 4 個(gè)客戶(hù)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(jí) EVM（-34 dB）要求。Qorvo 的 11ac 組件能夠輕松滿(mǎn)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(hù)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(hù)，但 MU-MIMO 可以將空間流同時(shí)定向至多個(gè)客戶(hù)端，從而提高了網(wǎng)絡(luò)效率。此外，802.11ac 采用一種稱(chēng)為波束成型的技術(shù)；通過(guò)波束成形，天線(xiàn)基本上可以將無(wú)線(xiàn)電信號(hào)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(hù)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(shì)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的第六代 Wi-Fi，可提供更大的無(wú)線(xiàn)容量和可靠性。802.11ax 通過(guò)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(lái)獲得這些優(yōu)勢(shì)。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(hù)端高效共存。802.11ax 采用 OFDMA，允許資源單元（RU）根據(jù)客戶(hù)端的需求劃分帶寬，并以更快的速度為多位用戶(hù)帶來(lái)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(hù)端（圖2）。

圖2 OFDM 與 OFDMA 資源分配對(duì)比

早期 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的 CSMA/CA 方法中，無(wú)線(xiàn)客戶(hù)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(píng)估和避免沖突的方法很有用，但當(dāng)客戶(hù)端數(shù)量增長(zhǎng)非常大時(shí)便會(huì)降低效率。802.11ax 協(xié)議通過(guò) OFDMA 和基于調(diào)度的資源分配解決了這一問(wèn)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(hù)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(hù)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(duì)相鄰 LTE 頻率的干擾。

表4 802.11ac 與 802.11ax 對(duì)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(chǎng)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