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Entwicklung der Wi-Fi-Technologie

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 653

In den letzten 20 Jahren hat der Standard seine Weiterentwicklung durch die Einführung neuer Protokolle wie 802.11n, 802.11ac und 802.11ax (Wi Fi 6) kontinuierlich vorangetrieben.。 Der neue Standard unterstützt Modulationsschemata höherer Ordnung, wie 64 QAM, 256 QAM und 1024 QAM. Diese neuen Standards unterstützen die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme an einen oder mehrere Clients; Neben der Erhöhung der Spitzendatenrate werden auch Anstrengungen unternommen, die spektrale Effizienz zu stärken, die die Nutzung des verfügbaren Spektrums durch das System kennzeichnet. Um die Netzwerkeffizienz und Netzwerkkapazität zu verbessern, wurden Mehrbenutzertechnologien wie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) und OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) eingeführt. Nach der Veröffentlichung und Implementierung des Wi-Fi-Standards (802.11) begann sich die Welt mit der Öffnung des Marktes und dem Aufkommen neuer Technologien zu verändern. Jeder neue Standard basiert auf den vorherigen Standards und wurde hinsichtlich Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit verbessert.

Wi-Fi-Standard


Wenn Sie auf der Suche nach einem neuen drahtlosen Netzwerkgerät oder Mobilgerät sind, werden Sie durch zu viele Auswahlmöglichkeiten und Abkürzungen verwirrt. Seit der ersten Einführung von Wi-Fi für Verbraucher im Jahr 1997 haben sich die Standards weiterentwickelt, was in der Regel zu einer höheren Geschwindigkeit und einer höheren Netzwerk-/Spektrumeffizienz führte. Da dem ursprünglichen 802.11-Standard weitere Funktionen hinzugefügt wurden, sind auch die entsprechenden Zusatzstandards (802.11b, 802.11g usw.) weithin bekannt. Tabelle 1 listet die verschiedenen Kriterien und die maximalen theoretischen Datenraten auf, die basierend auf diesen Kriterien erreicht werden können. Aufgrund des Einflusses vieler Faktoren, darunter Signaldämpfung mit der Entfernung, Modulationsrate und Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung, Bandbreite, MIMO-Multiplikator, Schutzintervall und typische Fehlerrate, wird die typische Rate niedriger sein als der theoretische Wert. Die 802.11-Familie besteht aus einer Reihe von Halbduplex-Luftmodulationstechnologien, die dasselbe Grundprotokoll verwenden. In diesem Artikel besprechen wir die Grundlagen jedes Wi-Fi-Standards.


Tabelle 1Wi-Fi-Geschichte



>>Standard 802.11-1997

802.11-1997 ist der erste WLAN-Standard der Serie. Es wurde 1997 veröffentlicht, ist aber inzwischen veraltet. Dieser Standard definiert das Protokoll und die kompatible Verbindung von Luftdatenkommunikationsgeräten im lokalen Netzwerk (LAN) des Carrier Sense Multiple Access Protocol (CSMA/CA) mit Kollisionsvermeidungsfunktion. Das Protokoll unterstützt drei physikalische Schichttechnologien, darunter Infrarot mit 1 Mbit/s, Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), das 1 Mbit/s und optional 2 Mbit/s Datenrate unterstützt, und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), das gleichzeitig 1/2 Mbit/s Datenrate unterstützt Zeit. Das Protokoll wird aufgrund von Interoperabilitätsproblemen, Kosten und mangelndem Durchsatz nicht allgemein akzeptiert.


>>802.11b-Standard

802.11b-Produkte wurden Mitte 1999 eingeführt. Seine maximale theoretische Datenrate beträgt 11 Mbit/s und verwendet denselben CSMA/Ca-Medienzugriffsmodus, der im ursprünglichen Standard definiert ist. 802.11b wird aufgrund der erheblichen Verbesserung des Durchsatzes und der erheblichen Preissenkung weithin als drahtlose Technologie akzeptiert. 802.11b verwendet das nicht autorisierte ISM-Frequenzband von 2.4 bis 2.5 GHz, eine direkte Erweiterung von DSSS, und verwendet Complement Keying (CCK) als Modulationstechnologie. 802.11b wird für die Point-to-Multipoint-Konfiguration verwendet, bei der der Access Point mit mobilen Clients innerhalb der Reichweite des Access Points kommuniziert.


This range depends on the RF environment, output power and receiver sensitivity. 802.11b has a channel bandwidth of 22 MHz and can operate at a rate of 11 Mbps, but will be reduced to 5.5 Mbps, then 2 Mbps, and 1 Mbps (adaptive rate selection) to reduce the replay rate caused by errors [1]. The 802.11b standard shares the same frequency bandwidth as other wireless standards. Therefore, wireless devices in the house, such as microwave ovens, Bluetooth devices and cordless phones, will interfere with Wi Fi.


>>802.11a-Standard

802.11a verwendet das gleiche Kernprotokoll wie der ursprüngliche Standard, die Betriebsfrequenz beträgt 5 GHz, es wird orthogonales Frequenzmultiplex (OFDM) mit 52 Unterträgern verwendet und die maximale theoretische Datenrate beträgt 54 Mbit/s, um den tatsächlichen Durchsatz von 20 zu realisieren Mbit/s. Weitere unterstützte Datenraten sind 6, 9, 12, 18, 24, 36 und 48 Mbit/s. 802.11a und 802.11b können nicht zusammenarbeiten, da sie in unterschiedlichen nicht autorisierten GSM-Bändern betrieben werden. Angesichts der zunehmenden Überlastung des 2.4-GHz-Bandes bietet das 5-GHz-Band erhebliche Vorteile gegenüber 802.11a. Aufgrund der hohen Trägerfrequenz liegt die effektive Gesamtreichweite jedoch unter 802.11b/g.


802.11a-Produkte wurden zunächst aufgrund von Kostenfaktoren, geringer Abdeckung und Inkompatibilität mit 802.11b nicht allgemein akzeptiert. Von den 52 OFDM-Unterträgern werden 48 für Daten verwendet, 4 sind Pilot-Unterträger und das Trägerintervall beträgt 312.5 kHz. Jeder dieser Unterträger kann BPSK, QPSK, 16 QAM oder 64 QAM sein. Die Kanalbandbreite beträgt 20 MHz und die belegte Bandbreite beträgt 16.6 MHz; Die Symboldauer beträgt 4 Mikrosekunden, einschließlich eines Schutzintervalls von 0.8 Mikrosekunden. Zu den Vorteilen von OFDM gehören die Reduzierung des Mehrwegeeffekts beim Empfang und die Verbesserung der spektralen Effizienz [2]. Tabelle 2 listet die verschiedenen von 11a unterstützten Modulationen und ihre jeweiligen theoretischen Datenraten auf.


Tabelle 2802.11a Modulationsrate und Datenrate bei 20 MHz Kanalintervall


>>802.11g-Standard

802.11g wurde im Sommer 2003 eingeführt. Es nutzt die gleiche OFDM-Technologie wie 802.11a und unterstützt eine maximale theoretische Geschwindigkeit von 54 Mbit/s wie 802.11a; Allerdings arbeitet es, genau wie 802.11b, mit überlasteten 2.4 GHz und ist daher anfällig für Störungen und andere Faktoren. 802.11g ist abwärtskompatibel mit 802.11b (dh 802.11b-Geräte können an 802.11g-Zugangspunkte angeschlossen werden). 802.11g ist mit Dualband- oder Dual-Mode-Zugangspunkten kompatibel, die 802.11a und 802.11b/g verwenden.


>>802.11n-Standard

Die Einführung von 802.11n macht Wi-Fi schneller und zuverlässiger; Dieser Fortschritt wird durch das Hinzufügen von MIMO- und 40-MHz-Kanälen zur physikalischen Schicht (PHY) und Frame-Aggregation zur MAC-Schicht erreicht. MIMO ist eine Methode zur Verwendung mehrerer Sende- und Empfangsantennen, um die Mehrwegeausbreitung zu nutzen und die Kapazität drahtloser Verbindungen zu vervielfachen. Diese Antennen müssen räumlich getrennt sein, damit die Signale von jeder Sendeantenne zu jeder Empfangsantenne unterschiedliche räumliche Eigenschaften haben, damit diese Ströme am Empfänger in parallele unabhängige Kanäle aufgeteilt werden können.


Für Kanäle, die mit einer Bandbreite von 40 MHz betrieben werden, kann die Breite verdoppelt werden und die doppelte PHY-Datenrate kann auf einem einzelnen 20-MHz-Kanal erreicht werden. Der 802.11n-Entwurf ermöglicht bis zu vier Spatial Streams mit einem maximalen theoretischen Durchsatz von 600 Mbit/s.


Der 20-MHz-Kanal verfügt über 56 OFDM-Unterträger, von denen 52 für Daten verwendet werden, 4 sind Piloten und der Trägerabstand beträgt 312.5 kHz. Jeder dieser Unterträger kann BPSK, QPSK, 16 QAM oder 64 QAM sein. Die Gesamtsymboldauer beträgt 3.6 bzw. 4 Mikrosekunden, einschließlich eines Schutzintervalls von 0.4 bzw. 0.8 Mikrosekunden. Tabelle 3 listet verschiedene Modulations- und Kodierungsschemata für einen einzelnen Datenstrom auf (bei mehreren Datenströmen ist die Datenrate ein Vielfaches der Anzahl der Ströme). 802.11n unterstützt Frame-Aggregation, bei der mehrere MAC-Dienstdateneinheiten (MSDUs) oder MAC-Protokolldateneinheiten (MPDUs) zusammengepackt werden, um den Overhead zu reduzieren und sie auf mehrere Frames zu mitteln, um die Datenrate auf Benutzerebene zu verbessern. Darüber hinaus ist 802.11n abwärtskompatibel mit 802.11g, 11B und 11a [3]. Qorvo war schon immer ein führender Anbieter von 802.11n-Komponenten, darunter Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker, Schalter und integrierte Front-End-Module (FEM).


Tabelle 3Modulation und Datenrate eines einzelnen 802.11n-Datenstroms


>>802.11ac-Standard

802.11ac beschleunigt Wi-Fi durch die Bereitstellung von Gigabit pro Sekunde, was durch die Erweiterung des 802.11n-Konzepts erreicht wird, einschließlich größerer Bandbreite (bis zu 160 MHz), mehr räumlicher MIMO-Streams (bis zu 8), Downlink-Mehrbenutzer-MIMO (bis zu 4 Clients) und hochdichte Modulation (bis zu 256 QAM). 802.11ac unterstützt 256 QAM bei 3/4 und 5/6 Codierungsraten (mcs8/9), was eine strengere EVM auf Systemebene von 6 dB (-34 dB) erfordert. Die 11ac-Komponente von Qorvo kann diese EVM-Anforderungen problemlos erfüllen. 802.11ac funktioniert nur im 5-GHz-Band, sodass Dualband-Zugangspunkte und Clients weiterhin 802.11n mit 2.4 GHz verwenden. Der erste 802.11ac, der 2013 veröffentlicht wurde, unterstützt nur 80-MHz-Kanäle und bis zu 3 Spatial Streams und bietet Geschwindigkeiten von bis zu 1300 Mbit/s auf der physikalischen Ebene. Das Produkt der zweiten Welle (802.11ac Welle 2) wurde 2015 veröffentlicht und unterstützt mehr Kanalbindungen, mehr räumliche Streams und MU-MIMO. Mumimo ist ein bedeutender Fortschritt von 802.11ac – obwohl MIMO mehrere Streams an einen einzelnen Benutzer leitet, kann MU-MIMO räumliche Streams an mehrere Clients gleichzeitig leiten und so die Netzwerkeffizienz verbessern. Darüber hinaus nutzt 802.11ac eine Technologie namens Beamforming; Durch Beamforming können Antennen grundsätzlich Funksignale an bestimmte Geräte übertragen. Der 802.11ac-Router ist abwärtskompatibel mit 802.11b, 11g, 11a und 11n, was bedeutet, dass alle herkömmlichen Clients normal mit dem 802.11ac-Router arbeiten können [4].


>>Wi-Fi 6or802.11ax Standard

802.11ax ist das Wi-Fi der sechsten Generation, das auf den Vorteilen von 802.11ac aufbaut und eine größere drahtlose Kapazität und Zuverlässigkeit bieten kann. 802.11ax erreicht diese Vorteile durch die Anwendung einer intensiveren Modulation (1024 QAM, OFDMA), einen geringeren Unterträgerabstand (78.125 kHz) und auf der Grundlage einer geplanten Ressourcenzuweisung. Im Gegensatz zu 802.11ac handelt es sich bei 802.11ax um eine 2.4- und 5-GHz-Dualband-Technologie, die auf maximale Kompatibilität ausgelegt ist und effizient mit 802.11a/g/n/ac-Clients koexistieren kann. 802.11ax übernimmt OFDMA, was es der Ressourceneinheit (RU) ermöglicht, die Bandbreite entsprechend den Anforderungen des Clients aufzuteilen und mehreren Benutzern dasselbe Erlebnis mit höherer Geschwindigkeit zu bieten. An jedem beliebigen Punkt des Trägers in jeder PLCP-Protokolldateneinheit (PPDU) in 802.11ac wird der Wi-Fi-Kanal in einen kleineren Satz von OFDM-Unterkanälen zerlegt. Aufgrund von OFDMA (802.11ax) wird es dem Client jedoch jede Unterträgergruppe als Ressourceneinheit auf der Grundlage jeder PPDU zuordnen (Abb. 2).


Figure 2Vergleich der Ressourcenzuteilung zwischen OFDM und OFDMA


Bei der CSMA/CA-Methode des frühen 802.11-Standards nimmt der drahtlose Client zunächst den Kanal wahr und sendet erst, wenn er erkennt, dass der Kanal frei ist, um Konflikte zu vermeiden. Obwohl diese klare Methode zur Konfliktbeurteilung und -vermeidung nützlich ist, verringert sie die Effizienz, wenn die Anzahl der Kunden sehr groß wird. Das 802.11ax-Protokoll löst dieses Problem durch OFDMA und planungsbasierte Ressourcenzuweisung [5]. 802.11ax-Zugriffspunkte geben an, wann das Gerät ausgeführt wird, sodass die Verarbeitung von Clients effizienter ist. Durch die Ressourcenplanung kann auch der Stromverbrauch während der Ruhezeit erheblich reduziert werden, um die Akkulaufzeit des Clients zu verbessern. Tabelle 4 listet die Unterschiede zwischen den Protokollen 802.11ac und 802.11ax auf. Das umfangreiche 802.11ax-Portfolio von Qorvo umfasst 2.4 GHz und 5 GHz (FEM) sowie Bulk Acoustic Wave (BAW)-Filter. Das energieeffiziente FEM des Portfolios reduziert den Kühlaufwand, der mit der MIMO-Unterstützung in Wi-Fi-Geräten verbunden ist, und ermöglicht es Herstellern, Produktgröße und -kosten zu reduzieren. Qorvos Edgeboosttm- (Bandkante) und Coexboosttm-BAW-Filter (Koexistenz) können die Qualität von Wi-Fi-Diensten verbessern und Störungen benachbarter LTE-Frequenzen verhindern.


Tabelle 4Vergleich zwischen 802.11ac und 802.11ax

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