Wi-Fi技術的發展歷程與標準

摘要：在過去的 20 年中，通常被稱為 Wi-Fi 的 IEEE 802.11 已從 2 Mbps 發展到千兆位以上的速度，吞吐能力提高了 1000 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 協議的發展歷程

1Wi-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 首次向消費者發布以來，其標準一直在不斷發展，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；符號持續時間為 4 微秒，其中包括 0.8 微秒的保護間隔。OFDM 的優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。

表2 20 MHz 信道間隔的 802.11a 調制速率和數據速率

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。

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使用 2.4 GHz 的 802.11n。2013 年發布的首批 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）。

圖2 OFDM 與 OFDMA 資源分配對比

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

2總結

Qorvo 是 Wi-Fi 連接解決方案的領先供應商，并占有重要的市場份額。Qorvo 的 RF 組件產品組合提供了高效的解決方案，以最小的外形尺寸實現可靠的覆蓋，助力整體覆蓋范圍、容量和吞吐量的提升。
編輯：lyn