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。該標準通過引入諸如 802.11n、802.11ac 和 802.11ax（Wi-Fi 6）等新協(xié)議不斷推進自身發(fā)展（如圖1）。新標準支持更高階的調(diào)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(shù)據(jù)流；除提高峰值數(shù)據(jù)速率外，還努力加強了表征系統(tǒng)對可用頻譜的利用程度的頻譜效率。為提高網(wǎng)絡效率和網(wǎng)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(shù)。Wi-Fi（802.11）標準一經(jīng)發(fā)布和實施，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(xié)議的發(fā)展歷程

1Wi-Fi 標準

如果您正尋求購置新的無線網(wǎng)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(fā)布以來，其標準一直在不斷發(fā)展，通常會帶來更快的速度和更高的網(wǎng)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(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(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 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(fā)布，但現(xiàn)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(xié)議（CSMA/CA）局域網(wǎng)（LAN）中，定義了空中數(shù)據(jù)通信設備的協(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)速率的跳頻擴展頻譜（FHSS），和同時支持 1/2 Mbps 數(shù)據(jù)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(xié)議未被廣泛接受。

802.11b 標準

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(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 的直接擴展，并利用補碼鍵控（CCK）作為其調(diào)制技術(shù)。802.11b 用于點對多點配置，其中接入點與該接入點范圍內(nèi)的移動客戶端進行通信。

這一范圍取決于射頻環(huán)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(nèi)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(xié)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(shù)據(jù)速率為 54 Mbps，由此實現(xiàn) 20 Mbps 的實際吞吐量。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 OFDM 子載波中，有 48 個用于數(shù)據(jù)，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(xù)時間為 4 微秒，其中包括 0.8 微秒的保護間隔。OFDM 的優(yōu)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(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 標準

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(xiàn)。MIMO 是一種使用多個發(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，以使從每個發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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。總符號持續(xù)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(shù)據(jù)流的不同調(diào)制和編碼方案（對于多個數(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 MAC 服務數(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(chǎn)品。

表3 802.11n 單個數(shù)據(jù)流的調(diào)制與數(shù)據(jù)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(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）、下行鏈路多用戶 MIMO（最多 4 個客戶端）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(wǎng)絡效率。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 標準

802.11ax 是在 802.11ac 優(yōu)勢的基礎上構(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。在 802.11ac 中每個 PLCP 協(xié)議數(shù)據(jù)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(shù)量增長非常大時便會降低效率。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 接入點規(guī)定了設備何時運行，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 設備中與支持 MIMO 相關(guān)聯(lián)的散熱負擔，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 服務質(zhì)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(jié)

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(chǎn)品組合提供了高效的解決方案，以最小的外形尺寸實現(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