Wi-Fi 技术的演进
发布时间：2021-03-29 19:10:53
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
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 1000 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。
表2 20 MHz 信道间隔的 802.11a 调制速率和数据速率
>> 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。
>> 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）。
图2 OFDM 与 OFDMA 资源分配对比
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
2. 总结
Qorvo 是 Wi-Fi 连接解决方案的领先供应商，并占有重要的市场份额。Qorvo 的 RF 组件产品组合提供了高效的解决方案，以最小的外形尺寸实现可靠的覆盖，助力整体覆盖范围、容量和吞吐量的提升。
参考文献：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11b-1999 .
[2] http://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/89600b/webhelp/subsystems/wlan-ofdm/content/ofdm_80211-overview.htm .
[3] 802.11n: A Survival Guide, Book by Matthew Gast
[4] 802.11ac: A Survival Guide, Book by Matthew Gast .
[5] http://www.ni.com/white-paper/53150/en/.
作者简介：Jaidev Sharma，应用工程总监，拥有超过 12 年的 RF 与系统研发经验，领域涉及 Wi-Fi、物联网、LTE 等多种无线系统；其负责管理 Qorvo 无线通信业务部门的 Wi-Fi 应用团队，并为全球客户提供支持。
本文来源：Qorvo半导体
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当我们评价Wi-Fi性能时，吞吐量（Throughput）是一个至关重要的指标。那么，什么是Wi-Fi吞吐量？它为何如此重要？如何提升Wi-Fi吞吐量？本文将对此进行详细的探讨。
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