Стандарты Wi-Fi прошли долгий путь с момента их первого появления более двух десятилетий назад. Развитие скорости и дальности передачи данных привело к тому, что технология WiFi стала одной из самых распространенных технологий беспроводной связи в настоящее время.
За последние 24 года стандарт IEEE 802.11, обычно называемый Wi-Fi, развил скорость от 2 Мбит/с до 10Гбит/с, что означает увеличение пропускной способности в тысячи раз. Стандарт постоянно совершенствовался, вводя новые протоколы, такие как 802.11n, 802.11ac и 802.11ax (Wi-Fi 6).
Широко распространенная технология беспроводной связи WiFi имеет глубокую историю, которая привела ее к тому состоянию, в котором она находится сейчас. В этой статье мы исследуем происхождение и эволюцию одной из самых распространенных технологий беспроводной связи.
Рис. 1: Рост скорости передачи необработанных данных стандартов Wi-Fi
Эволюция стандартов Wi—Fi
С тех пор, как Wi-Fi был впервые представлен потребителям в 1997 году, его стандарты постоянно развивались, что привело к увеличению скорости и эффективности технологии. Поскольку новые функции добавлялись к первоначальным стандартам 802.11, все они стали известны как поправки 802.11 с соответствующими обозначениями: 802.11b, 802.11g и т. д.
В таблице 1 перечислены:
— различные стандарты
— год выпуска
— диапазон частот
— полоса пропускания
— максимальная теоретически достигнутая скорость передачи данных
Типичные скорости передачи данных ниже теоретических на основании нескольких факторов, включая ухудшение сигнала с расстоянием, скорость модуляции, кодирование с прямым исправлением ошибок, полосу пропускания, множитель с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), защитный интервал и частоту ошибок. Семейство 802.11 состоит из серии методов полудуплексной беспроводной модуляции, которые используют один и тот же базовый протокол для беспроводной связи.
| IEEE 802.11 стандарт | Год выпуска | Диапазон частот | Полоса пропускания | Максимальная скорость передачи |
| 802.11-1997 | 1997 | 2.4 | 22 | 2 Mbps |
| 11b | 1999 | 2.4 | 22 | 11 Mbps |
| 11a | 1999 | 5 | 20 | 54 Mbps |
| 11g | 2003 | 2.4 | 20 | 54 Mbps |
| 11n (Wi-Fi 4) | 2009 | 2.4/5 | 20/40 | 600 Mbps |
| 11ac (Wi-Fi 5) | 2013 | 5 | 20/40/80/160 | 6.8 Gbps |
| 11ax (Wi-Fi 6) | 2019 | 2.5/5 | 20/40/80/160 | 9.6 Gbps |
| 11ax (WiFi 6E) | 2020 | 2.5/5/6 | 20/40/80/160 | 9.6 Gbps |
| 11be (WiFi 7) | 2024 | 2.5/5/6 | 20/40/80/160/320 | 46.1 Gbps |
IEEE 802.11-1997 стандарт
802.11-1997 — первый стандарт беспроводной связи в семействе, который был выпущен в 1997 году. Этот стандарт определяет протокол и совместимое соединение оборудования для передачи данных в локальной вычислительной сети (LAN) с использованием протокола множественного доступа Carrier Sense с предотвращением столкновений (CSMA/CA). CSMA/CA — это метод доступа к сети, при котором перед началом передачи данных проверяется свободность канала.
802.11-1997 включал в себя три технологии физического уровня:
IR Infrared physical layer – физический уровень на основе инфракрасного излучения (скорость 1 Мбит/с или 2 Мбит/с)
FHSS Frequency-hopping spread spectrum — метод расширения спектра посредством псевдослучайной скачкообразной перестройки рабочей частоты передаваемого радиосигнала. Быстрое изменение несущей частоты в соответствии с псевдослучайной последовательностью чисел (1 Мбит/с и доп. скорость передачи данных 2 Мбит/с)
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum — метод расширения спектра с прямой последовательностью. Делит полосу пропускания радиоканала на широкие полосы частот и передает исходную последовательность битов на отдельных частотах, преобразуя ее в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей. В этом процессе каждому сигналу присваивается различная ортогональная последовательность частот (1 Мбит/с так и 2 Мбит/с).
Протокол 802.11-1997 не получил широкого распространения из-за проблем с функциональной совместимостью, высокой стоимостью и недостаточной пропускной способностью.
IEEE 802.11b стандарт
Устройства стандарта 802.11b появились на рынке в середине 1999 года. Они имели максимальную теоретическую скорость передачи данных 11 Мбит/с и использовали тот же метод доступа к среде CSMA/CA, что и в исходном стандарте 802.11. Резкое увеличение пропускной способности 802.11b наряду со значительным снижением цен привело к широкому распространению 802.11b в качестве технологии беспроводных локальных сетей.
802.11b использовал нелицензируемый ISM диапазон частот от 2,4 до 2,5 ГГц. Протокол был прямым расширением DSSS и использовал дополнительный кодовый ключ (CCK Complementary Code Keying) в качестве метода модуляции.
802.11b использовался в конфигурации «точка-множество точек», где точка доступа взаимодействует с мобильными клиентами в пределах своего радиуса действия. Радиус действия зависел от радиочастотной среды, выходной мощности и чувствительности приемника.
802.11b имел полосу пропускания канала 22 МГц и работал со скоростью 11 Мбит/с, но мог быть уменьшен до 5,5 Мбит/с, затем до 2 Мбит/с и 1 Мбит/с (адаптивный выбор скорости), чтобы уменьшить количество ретрансляций, возникающих в результате ошибок. Стандарт 802.11b использовал ту же полосу частот, что и многие другие стандарты беспроводной связи. Такие устройства как Bluetooth® и беспроводные телефоны, а также микроволновые печи, работающие на частоте 2,4Ггц, создавали помехи Wi—Fi, что приводило к снижению скорости передачи данных.
IEEE 802.11a стандарт
802.11a использовал тот же основной протокол, что и исходный стандарт, однако работал на частоте 5 ГГц. Он использовал мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) с 52 поднесущими и имел максимальную теоретическую скорость передачи данных 54 Мбит/с. В сценариях практического использования стандарт Wi-Fi 802.11a достиг пропускной способности около 20 Мбит/с.
Другие поддерживаемые скорости передачи данных: 6 Мбит/с, 9 Мбит/с, 12 Мбит/с, 18 Мбит/с, 24 Мбит/с, 36 Мбит/с и 48 Мбит/с. Несмотря на то, что оба протокола были выпущены в одном и том же году, 802.11a не был совместим с 802.11b, поскольку они работали в разных нелицензионных диапазонах частот ISM. Диапазон 5 ГГц давал 802.11a преимущество по скорости передачи данных, поскольку диапазон 2,4 ГГц был переполнен из-за занятия спектра другими устройствами.
Но работа на более высокой частоте также уменьшала радиус действия устройств, использующих 802.11a. Решением было использовать более мощные антенны, которые могли немного увеличить дальность действия. Однако их использование в основном ограничивалось маршрутизаторами, установленными в крупных организациях, из-за необходимости наличия мощных антенн и высокой цены.
Из 52 поднесущих OFDM с разносом 312,5 кГц — 48 предназначались для данных, а 4 были пилотными поднесущими. Каждая из этих поднесущих могла быть бинарной фазовой манипуляцией (BPSK), квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK), 16-квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) или 64QAM. Пропускная способность канала 802.11a составляла 20 МГц при занимаемой полосе пропускания 16,6 МГц. Длительность символа составляла 4 мкс, включая защитный интервал 0,8 мкс. Преимущества OFDM включают: снижение эффектов многолучевого распространения при приеме и повышение спектральной эффективности. В таблице 2 перечислены различные модуляции, поддерживаемые стандартом 802.11a, скорость кодирования (Coding Rate), определяющая отношение количества передаваемых битов к общему объему данных и соответствующая теоретическая скорость передачи данных (Data Rate).
| Тип модуляции (802.11a) | Скорость кодирования | Скорость передачи данных (Mbps) |
| BPSK | 1/2 | 6 |
| BPSK | 3/4 | 9 |
| QPSK | 1/2 | 12 |
| QPSK | 3/4 | 18 |
| 16 QAM | 1/2 | 24 |
| 16 QAM | 3/4 | 36 |
| 64 QAM | 2/3 | 48 |
| 64 QAM | 3/4 | 54 |
В конечном итоге продукты 802.11a не получили широкого распространения из-за их высокой стоимости, малого радиуса действия и несовместимости с 802.11b.
IEEE 802.11g стандарт
Стандарт 802.11g стал доступен летом 2003 года. В нем использовалась та же технология OFDM, которая была представлена в 802.11a. 802.11g объединил в себе лучшее из 802.11b и 802.11a, чтобы заинтересовать пользователей инвестировать в устройства, поддерживающие протокол беспроводной связи.
Новый стандарт Wi—Fi поддерживал максимальную скорость передачи данных 54 Мбит/с, используя ту же полосу пропускания 20 МГц и микроволновую частоту 2,4Ггц как у 802.11b.
Протокол 802.11g обратно совместим с 802.11b и устройства 802.11b могут подключаться к точке доступа 802.11g, однако сосуществование этих двух стандартов приводит к значительному снижению производительности.
802.11g мог работать с двухдиапазонными или двухрежимными точками доступа с одновременным использованием 802.11a и 802.11b/g.
IEEE 802.11n стандарт
Если 802.11g был первым стандартом Wi—Fi, достаточно хорошим для коммерческого использования, то с 802.11n ситуация действительно начала улучшаться. Благодаря стандарту 802.11n Wi—Fi стал еще быстрее и надежнее. Это было достигнуто за счет добавления каналов с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO Multiple Input Multiple Output) с полосой пропускания 40 МГц на физический уровень (PHY), а также за счет агрегации кадров на уровне управления доступом к среде передачи (MAC).
MIMO — это метод увеличения пропускной способности радиоканала с использованием нескольких передающих и приемных антенн для использования многолучевого распространения. Эти антенны должны быть пространственно разделены, чтобы сигнал от каждой передающей антенны к каждой приемной антенне имел разную пространственную характеристику, чтобы приемник мог разделить эти потоки на параллельные независимые каналы.
Каналы, работающие с полосой пропускания 40 МГц, удваивают ширину общего канала и обеспечивают вдвое большую физическую (PHY) скорость передачи данных по сравнению с одним каналом шириной 20 МГц, который использовался в предыдущем поколении Wi—Fi. Проект 802.11n допускал до 4 пространственных потоков с максимальной теоретической пропускной способностью 600 Мбит/с.
| MCS индекс | Пространственные потоки | Тип модуляции | Частота кодирования | Скорость передачи данных (Mbps) | |
| 20 MHz канал | |||||
| 800nSGI | 400nSGI | ||||
| 0 | 1 | BPSK | 44563 | 6.5 | 7.2 |
| 1 | 1 | QPSK | 44563 | 13 | 14.4 |
| 2 | 1 | QPSK | 44624 | 19.5 | 21.7 |
| 3 | 1 | 16 QAM | 44563 | 26 | 28.9 |
| 4 | 1 | 16 QAM | 44624 | 39 | 43.3 |
| 5 | 1 | 64 QAM | 44595 | 52 | 57.8 |
| 6 | 1 | 64 QAM | 44624 | 58.5 | 65 |
| 7 | 1 | 64 QAM | 44687 | 65 | 72.2 |
| MCS индекс | Пространственные потоки | Тип модуляции | Частота кодирования | Скорость передачи данных (Mbps) | |
| 40 MHz канал | |||||
| 800nSGI | 400nSGI | ||||
| 0 | 1 | BPSK | 44563 | 13.5 | 0 |
| 1 | 1 | QPSK | 44563 | 27 | 1 |
| 2 | 1 | QPSK | 44624 | 40.5 | 2 |
| 3 | 1 | 16 QAM | 44563 | 54 | 3 |
| 4 | 1 | 16 QAM | 44624 | 81 | 4 |
| 5 | 1 | 64 QAM | 44595 | 108 | 5 |
| 6 | 1 | 64 QAM | 44624 | 121.5 | 6 |
| 7 | 1 | 64 QAM | 44687 | 135 | 7 |
Каналы 20 МГц имеют 56 поднесущих OFDM, 52 предназначаются для данных и 4 являются пилотными поднесущими. Разносом поднесущих составляет все те же 312,5 кГц. Каждая из этих поднесущих может быть организована с использованием BPSK, QPSK, 16QAM или 64QAM. Общая длительность символа составляет 3,6 мкс или 4 мкс, включая защитный интервал 0,4 мкс или 0,8 мкс соответственно. В таблице 3 и 4 перечислены различные схемы модуляции и кодирования (Modulation Coding Scheme MCS) для одного пространственного потока (Spatial streaming) для частот пропускания 20 МГц и 40 МГц соответственно (для нескольких потоков скорость передачи данных кратно увеличивается согласно количеству потоков).
Индекс схемы кодирования модуляции (MCS index) — это метрика, основанная на нескольких параметрах соединения Wi-Fi между клиентским устройством и точкой доступа, включая скорость передачи данных, ширину канала и количество антенн или пространственных потоков устройства.
802.11n поддерживает агрегацию кадров, при которой несколько блоков служебных данных MAC (MSDU) или блоков данных протокола MAC (MPDU) упаковываются вместе, чтобы уменьшить накладные расходы и усреднить их по нескольким кадрам, тем самым увеличивая скорость передачи данных на уровне пользователя. Кроме того, 802.11n обратно совместим с 802.11g, 11b и 11a.
IEEE 802.11ac стандарт
802.11ac обновил стандарт Wi—Fi, обеспечив скорость передачи с гигабитными значениями, что достигается за счет расширения концепции 802.11n, которое включает более широкую полосу пропускания (до 160 МГц), больше пространственных потоков MIMO (до 8 шт.), многопользовательскую нисходящую связь MIMO (до 4 клиентов) и модуляцию высокой плотности (до 256 QAM).
802.11ac поддерживает 256 QAM со скоростью кодирования 3/4, 5/6 (MCS8/9), что ужесточает требования к уровню радиосигнал EVM на 6 дБ, при этом желательно чтобы соотношение сигнал/шум (SNR) было не менее 34 дБ.
802.11ac работает исключительно в диапазоне 5 ГГц, поэтому двухдиапазонные точки доступа и клиенты продолжают использовать 802.11n на частоте 2,4 ГГц.
Первая волна устройств, совместимых с 802.11ac, выпущенная в 2013 году, поддерживала только каналы 80 МГц и до 3 пространственных потоков, обеспечивая скорость до 1300 Мбит/с на физическом уровне. Вторая волна включала устройства, выпущенные в 2015 году и поддерживающие больше объединений каналов, больше пространственных потоков, а также многопользовательскую технологию с несколькими входами и несколькими выходами (MU—MIMO), что является значительным усовершенствованием стандарта 802.11ac. В то время как MIMO направляет несколько потоков одному пользователю, MU—MIMO может направлять пространственные потоки нескольким клиентам одновременно, тем самым повышая эффективность сети.
802.11ac также использует технологию формирования луча. При формировании диаграммы направленности антенна передает радиосигналы таким образом, что они направляются на конкретное устройство, а не распределяются во всех направлениях.
Если все сделано правильно, то создается эффект интерференции волн, когда две волны находящиеся в одной фазе накладываются друг на друга, тем самым увеличивая амплитуду и приводя к усилению сигналов в определенной области, где присутствует клиент Wi—Fi.
Маршрутизаторы 802.11ac обратно совместимы с 802.11b, 11g, 11a и 11n, что означает, что все устаревшие клиенты прекрасно работают с маршрутизаторами 802.11ac.
IEEE 802.11ax стандарт (Wi—Fi 6)
802.11ax, также широко известный как Wi—Fi 6, представляет собой шестое поколение Wi—Fi, основанное на сильных сторонах 802.11ac, которое обеспечивает большую пропускную способность и надежность беспроводной связи. 802.11ax достигает этих преимуществ за счет использования более плотных схем модуляции (1024 QAM и OFDMA), уменьшенного разноса поднесущих 78,125 кГц и распределения ресурсов на основе расписания.
В отличие от своего предшественника 802.11ac, 802.11ax представляет собой двухдиапазонную технологию, работающую на частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц. Он предлагает повышение скорости даже для нижнего диапазона частот и разработан с учетом максимальной совместимости и эффективного сосуществования с клиентами 802.11a/g/n/ac.
802.11ax использует технологию orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) — многопользовательскую версию популярной цифровой модуляции OFDM, что позволяет ресурсурсным единицам (resource units RU) разделять полосу пропускания в соответствии с потребностями клиентов и позволяет нескольким пользователям получить доступ к одному беспроводному каналу, разделив его на субнесущие.
В стандарте 802.11ac канал Wi—Fi был разбит на набор более мелких подканалов OFDM. В любой заданной точке несущих в каждом блоке данных протокола PLCP (PPDU). Однако при использовании OFDMA (802.11ax) отдельные группы поднесущих индивидуально выделяются клиентам в качестве единиц ресурсов на основе каждого PPDU. На рисунке 2 показано сравнение распределения ресурсов в схемах OFDM и OFDMA.
Рис. 2: Сравнение распределения ресурсов в схемах OFDM и OFDMA
Более ранние стандарты 802.11 использовали метод CSMA/CA, при котором беспроводные клиенты сначала распознавали канал и пытались избежать коллизий, передавая только тогда, когда они обнаруживали, что канал свободен. Хотя такая четкая оценка и предотвращение конфликтов принесли свои плоды, ее эффективность снизилась, когда число клиентов стало очень большим.
Протокол 802.11ax решает эту проблему посредством OFDMA и распределения ресурсов по расписанию. Точки доступа 802.11ax определяют, когда клиентскому устройству работать, тем самым более эффективно обслуживая клиентов. Планирование ресурсов также значительно снижает энергопотребление во время сна, что увеличивает время автономной работы клиентов. В Таблице 4 перечислены различия между протоколами 802.11ac и 802.11ax.
| 802.11ac (Wi-Fi 5) | 802.11ax(Wi-Fi6) | |
| Рабочая частота | 5 GHz | 2.4, 5 GHz |
| Ширина канала, полоса пропускания | 20, 40, 80, 160 MHz | 20, 40, 80, 160 MHz |
| Размер FFT | 64, 128, 256, 512 | 256, 512, 1024, 2048 |
| Разнос поднесущих | 312.5 kHz | 78.125 kHz |
| Длительность символа | 3.2 μs + 0.8/0.4 μs | 12.8 μs + 0.8/1.6/3.2 μs |
| Модуляция высшего порядка | 256 QAM | 1024 QAM |
| Max Data Rate | 6933 Mbps (160 MHz, 8 SS) | 9607.8 Mbps (160 MHz, 8 SS) |
Таблица 4. 802.11ac в сравнении с 802.11ax
Длительность символа (symbol duration) обратно пропорциональна расстоянию между несущими и увеличивается в четыре раза в Wi-Fi 6 по сравнению с Wi-Fi 5 — с 3,2 мкс и до 12,8 мкс. Это изменение расстояния между поднесущими имеет несколько преимуществ. Во-первых, при большем количестве поднесущих может быть достигнута более высокая степень детализации ресурсной единицы (RU).
Новый стандарт Wi—Fi также поддерживает передачу нескольких потоков одному клиенту или нескольким клиентам одновременно. Помимо увеличения пиковой скорости передачи данных, были предприняты усилия по повышению спектральной эффективности, которая характеризует, насколько хорошо система использует доступный спектр.
Многопользовательские методы, такие как MU—MIMO и OFDMA, были улучшены для повышения эффективности и пропускной способности сети. В то время как предыдущие стандарты поддерживали MU—MIMO только для нисходящих соединений, Wi—Fi 6 предназначен для поддержки MU-MIMO 8×8:8 как в нисходящем, так и в восходящем канале, что позволяет обслуживать до восьми пользователей одновременно и обеспечивать значительно более высокую пропускную способность. Однако стоит учесть, что этот функционал не был доступен в устройствах Wi-Fi 6 первого поколения.
IEEE 802.11ax стандарт (Wi—Fi 6E)
В апреле 2020 года Федеральная комиссия связи (орган, регулирующий радиосвязь в США) открыла диапазон 6 ГГц для нелицензионного использования. Этот шаг привел к включению новой добавленной частоты в WiFi 6
Получившийся стандарт несет в себе все возможности ранее выпущенного протокола, а из-за расширения рабочей частоты получил название WiFi 6E.
Прямым эффектом увеличения ширины канала связи является дальнейшее снижение помех по сравнению с WiFi 6.
Рис. 3: Сравнение спектров Wi-Fi
WiFi 6E обратно совместим со всеми предыдущими поколениями WiFi. Поскольку все больше стран постепенно открывают стандарт 6 ГГц для нелицензионного использования, WiFi 6E будет продолжать завоевывать новые рынки.
IEEE 802.11be стандарт (WiFi 7)
Ранее выход нового стандарта WiFi 7 анонсировался на 2024 год. Однако Wi-Fi 7 был утвержден в 2023 году, а еще раньше, в ноябре 2022 года компания TP-Link чудесным образом успела презентовать свои новые роутеры с поддержкой данного стандарта.
802.11be стал настоящим преемником стандарта WiFi 6/6E, и его целью является работа в диапазоне 6 ГГц и увеличение скорости передачи необработанных данных до 46,1 Гбит/с.
Wi-Fi 7, как и Wi-Fi 6E, способен работать в 3 частотных диапазонах: 2.4, 5 и 6 ГГц, однако, в отличие от своего предшественника, способен задействовать все три диапазона одновременно (Multi-Link Operation, MLO).
Максимальная ширина канала для WiFi 7 может достигать 320 МГц, порядок модуляции (4096-QAM), а число пространственных потоков 16 штук (MU-MIMO 16×16).
Новый стандарт предоставляет такие функции, как улучшенная координация нескольких точек доступа (Automated Frequency Coordination, AFC), которая практически позволяет активным точкам доступа запрашивать простаивающие точки доступа для уменьшения выходной мощности, чтобы минимизировать помехи, вызванные устройствами, которые в настоящее время не используются. Более того точки доступа WiFi 7 способны сверяется с внешней базой данных для выяснения местоположение приоритетных пользователей диапазона 6 ГГц и согласования использования полосы частот.
WiFi 7 также реализует технологию совместной передачи, которая позволяет двум или более точкам доступа координировать свои действия и обслуживать одно клиентское устройство одновременно, когда это возможно.
В WiFi 7 регламентирована поддержка чувствительного ко времени сетевого обмен данными стандарта IEEE TSN (Time-Sensitive Networking Данная технология гарантирует надежную доставку пакетов благодаря синхронизации сети по времени, планированию трафика, а также планированию и резервированию маршрутов передачи данных.
ссылки:
https://www.wevolver.com/article/the-evolution-of-wi-fi-networks-from-ieee-80211-to-wi-fi-6e