IEEE 802.11n-2009 или 802.11n - это стандарт беспроводной сети, который использует несколько антенн для увеличения скорости передачи данных. Wi-Fi Alliance также задним числом назвал технологию стандарта, как Wi-Fi 4. Он стандартизировал поддержку нескольких входов и выходов, агрегации кадров и улучшений безопасности, среди других функций, и может использоваться в диапазонах частот 2,4 ГГц или 5 ГГц.
В качестве первого стандарта Wi-Fi, который представил поддержку MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output), иногда устройства / системы, поддерживающие стандарт 802.11n (или черновую версию стандарта), упоминаются как MIMO (продукты Wi-Fi)., особенно до введения стандарта следующего поколения. Airgo Networks впервые продемонстрировала использование MIMO- OFDM ( мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) для увеличения скорости передачи данных при сохранении того же спектра, что и 802.11a.
Целью стандарта является повышение пропускной способности сети по сравнению с двумя предыдущими стандартами - 802.11a и 802.11g - за счет значительного увеличения максимальной чистой скорости передачи данных с 54 Мбит / с до 72 Мбит / с с одним пространственным потоком в 20 Канал МГц и 600 Мбит / с (немного более высокая полная скорость передачи, включая, например, коды с исправлением ошибок, и немного меньшая максимальная пропускная способность ) с использованием четырех пространственных потоков при ширине канала 40 МГц.
IEEE 802.11n-2009 - это поправка к стандарту беспроводной сети IEEE 802.11-2007. 802.11 - это набор стандартов IEEE, которые регулируют методы передачи по беспроводной сети. Сегодня они широко используются в их версиях 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac и 802.11ax для обеспечения беспроводной связи в домах и на предприятиях. Разработка 802.11n началась в 2002 году, за семь лет до публикации. Протокол 802.11n теперь является разделом 20 опубликованного стандарта IEEE 802.11-2012.
IEEE 802.11n - это поправка к IEEE 802.11-2007 с поправками, внесенными IEEE 802.11k-2008, IEEE 802.11r-2008, IEEE 802.11y-2008 и IEEE 802.11w-2009, и основывается на предыдущих стандартах 802.11 путем добавления нескольких входов. каналы с множественным выходом (MIMO) и 40 МГц на PHY (физический уровень) и агрегация кадров на уровень MAC.
MIMO - это технология, которая использует несколько антенн для когерентного разрешения большего количества информации, чем это возможно при использовании одной антенны. Один из способов обеспечения этого - мультиплексирование с пространственным разделением (SDM), которое пространственно мультиплексирует несколько независимых потоков данных, передаваемых одновременно в одном спектральном канале полосы пропускания. MIMO SDM может значительно увеличить пропускную способность данных по мере увеличения количества разрешенных потоков пространственных данных. Каждый пространственный поток требует дискретной антенны как на передатчике, так и на приемнике. Кроме того, технология MIMO требует отдельной радиочастотной цепи и аналого-цифрового преобразователя для каждой антенны MIMO, что делает ее более дорогой в реализации, чем системы без MIMO.
Каналы, работающие с шириной 40 МГц, - еще одна функция, включенная в 802.11n; это удваивает ширину канала с 20 МГц в предыдущих 802.11 PHY для передачи данных и обеспечивает вдвое большую скорость передачи данных PHY, доступную по одному каналу 20 МГц. Его можно включить в режиме 5 ГГц или в режиме 2,4 ГГц, если известно, что он не будет мешать работе любой другой системы 802.11 или не-802.11 (например, Bluetooth), использующей те же частоты. Архитектура MIMO вместе с каналами с более широкой полосой пропускания обеспечивает повышенную физическую скорость передачи по сравнению с 802.11a (5 ГГц) и 802.11g (2,4 ГГц).
Передатчик и приемник используют методы предварительного кодирования и посткодирования, соответственно, для достижения пропускной способности канала MIMO. Предварительное кодирование включает в себя пространственное формирование диаграммы направленности и пространственное кодирование, при этом пространственное формирование диаграммы направленности улучшает качество принятого сигнала на стадии декодирования. Пространственное кодирование может увеличить пропускную способность данных за счет пространственного мультиплексирования и увеличить диапазон за счет использования пространственного разнесения с помощью таких методов, как кодирование Аламоути.
Количество одновременных потоков данных ограничено минимальным количеством антенн, используемых на обеих сторонах канала. Однако отдельные радиостанции часто дополнительно ограничивают количество пространственных потоков, которые могут нести уникальные данные. Обозначение a x b: c помогает определить, на что способно данное радио. Первое число (а) - это максимальное количество передающих антенн или цепей TX RF, которые могут использоваться радиостанцией. Второе число (b) - это максимальное количество приемных антенн или цепей RX RF, которые могут использоваться радиостанцией. Третье число (c) - это максимальное количество пространственных потоков данных, которые может использовать радио. Например, радиостанция, которая может передавать на двух антеннах и принимать на трех, но может отправлять или принимать только два потока данных, будет иметь формат 2 x 3: 2.
Проект 802.11n допускает до 4 x 4: 4. Обычные конфигурации устройств 11n - 2x2: 2, 2x3: 2 и 3x2: 2. Все три конфигурации имеют одинаковую максимальную пропускную способность и характеристики и различаются только степенью разнесения, обеспечиваемой антенными системами. Кроме того, становится распространенной четвертая конфигурация 3x3: 3, которая имеет более высокую пропускную способность за счет дополнительного потока данных.
Если предположить, что рабочие параметры сети 802.11g равны 54 мегабитам в секунду (на одном канале 20 МГц с одной антенной), сеть 802.11n может достигать 72 мегабит в секунду (на одном канале 20 МГц с одной антенной и 400 нс защитой). интервал ); Скорость 802.11n может достигать 150 мегабит в секунду, если поблизости нет других источников излучения Bluetooth, микроволнового излучения или Wi-Fi, при использовании двух каналов 20 МГц в режиме 40 МГц. Если используется больше антенн, то скорость 802.11n может достигать 288 мегабит в секунду в режиме 20 МГц с четырьмя антеннами или 600 мегабит в секунду в режиме 40 МГц с четырьмя антеннами и защитным интервалом 400 нс. Поскольку полоса 2,4 ГГц серьезно загружена в большинстве городских районов, сети 802.11n обычно более успешны в увеличении скорости передачи данных за счет использования большего количества антенн в режиме 20 МГц, чем при работе в режиме 40 МГц, поскольку режим 40 МГц требует относительно свободный радиочастотный спектр, который доступен только в сельской местности вдали от городов. Таким образом, сетевые инженеры, устанавливающие сеть 802.11n, должны стремиться выбрать маршрутизаторы и беспроводных клиентов с максимально возможным количеством антенн (одна, две, три или четыре, как указано в стандарте 802.11n) и постараться убедиться, что пропускная способность сети будет удовлетворительной. даже в режиме 20 МГц.
Скорость передачи данных до 600 Мбит / с достигается только при использовании максимум четырех пространственных потоков с использованием одного канала шириной 40 МГц. Различные схемы модуляции и скорости кодирования определены стандартом и представлены значением индекса схемы модуляции и кодирования (MCS). В таблице ниже показаны отношения между переменными, которые обеспечивают максимальную скорость передачи данных. GI (Guard Interval): интервал между символами.
В канале 20 МГц используется БПФ 64, из которых: 56 поднесущих OFDM, 52 - для данных и 4 - пилотные тона с разделением несущих 0,3125 МГц (20 МГц / 64) (3,2 мкс). Каждая из этих поднесущих может быть BPSK, QPSK, 16- QAM или 64- QAM. Общая полоса пропускания составляет 20 МГц при занимаемой полосе пропускания 17,8 МГц. Общая длительность символа составляет 3,6 или 4 микросекунды, включая защитный интервал 0,4 (также известный как короткий защитный интервал (SGI)) или 0,8 микросекунды.
Индекс MCS | Пространственные потоки | Тип модуляции | Скорость кодирования | Скорость передачи данных (Мбит / с) | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Канал 20 МГц | Канал 40 МГц | ||||||
800 нс GI | 400 нс GI | 800 нс GI | 400 нс GI | ||||
0 | 1 | БПСК | 1/2 | 6.5 | 7.2 | 13,5 | 15 |
1 | 1 | QPSK | 1/2 | 13 | 14,4 | 27 | 30 |
2 | 1 | QPSK | 3/4 | 19,5 | 21,7 | 40,5 | 45 |
3 | 1 | 16- КАМ | 1/2 | 26 | 28,9 | 54 | 60 |
4 | 1 | 16-КАМ | 3/4 | 39 | 43,3 | 81 год | 90 |
5 | 1 | 64-QAM | 2/3 | 52 | 57,8 | 108 | 120 |
6 | 1 | 64-QAM | 3/4 | 58,5 | 65 | 121,5 | 135 |
7 | 1 | 64-QAM | 5/6 | 65 | 72,2 | 135 | 150 |
8 | 2 | БПСК | 1/2 | 13 | 14,4 | 27 | 30 |
9 | 2 | QPSK | 1/2 | 26 | 28,9 | 54 | 60 |
10 | 2 | QPSK | 3/4 | 39 | 43,3 | 81 год | 90 |
11 | 2 | 16-КАМ | 1/2 | 52 | 57,8 | 108 | 120 |
12 | 2 | 16-КАМ | 3/4 | 78 | 86,7 | 162 | 180 |
13 | 2 | 64-QAM | 2/3 | 104 | 115,6 | 216 | 240 |
14 | 2 | 64-QAM | 3/4 | 117 | 130 | 243 | 270 |
15 | 2 | 64-QAM | 5/6 | 130 | 144,4 | 270 | 300 |
16 | 3 | БПСК | 1/2 | 19,5 | 21,7 | 40,5 | 45 |
17 | 3 | QPSK | 1/2 | 39 | 43,3 | 81 год | 90 |
18 | 3 | QPSK | 3/4 | 58,5 | 65 | 121,5 | 135 |
19 | 3 | 16-КАМ | 1/2 | 78 | 86,7 | 162 | 180 |
20 | 3 | 16-КАМ | 3/4 | 117 | 130 | 243 | 270 |
21 год | 3 | 64-QAM | 2/3 | 156 | 173,3 | 324 | 360 |
22 | 3 | 64-QAM | 3/4 | 175,5 | 195 | 364,5 | 405 |
23 | 3 | 64-QAM | 5/6 | 195 | 216,7 | 405 | 450 |
24 | 4 | БПСК | 1/2 | 26 | 28,8 | 54 | 60 |
25 | 4 | QPSK | 1/2 | 52 | 57,6 | 108 | 120 |
26 | 4 | QPSK | 3/4 | 78 | 86,8 | 162 | 180 |
27 | 4 | 16-КАМ | 1/2 | 104 | 115,6 | 216 | 240 |
28 год | 4 | 16-КАМ | 3/4 | 156 | 173,2 | 324 | 360 |
29 | 4 | 64-QAM | 2/3 | 208 | 231,2 | 432 | 480 |
30 | 4 | 64-QAM | 3/4 | 234 | 260 | 486 | 540 |
31 год | 4 | 64-QAM | 5/6 | 260 | 288,8 | 540 | 600 |
32 | 1 | БПСК | 1/4 | N / A | N / A | 6.0 | 6,7 |
33 - 38 | 2 | Асимметричный мод. | Зависит от | Зависит от | Зависит от | Зависит от | |
39–52 | 3 | Асимметричный мод. | Зависит от | Зависит от | Зависит от | Зависит от | |
53 - 76 | 4 | Асимметричный мод. | Зависит от | Зависит от | Зависит от | Зависит от | |
77–127 | Зарезервированный | N / A | N / A | N / A | N / A |
Скорость передачи данных на уровне PHY не соответствует пропускной способности на уровне пользователя из-за накладных расходов протокола 802.11, таких как процесс конкуренции, межкадровый интервал, заголовки уровня PHY (преамбула + PLCP) и кадры подтверждения. Основной функцией управления доступом к среде (MAC), которая обеспечивает повышение производительности, является агрегирование. Определены два типа агрегирования:
Агрегация кадров - это процесс упаковки нескольких MSDU или MPDU вместе, чтобы уменьшить накладные расходы и усреднить их по нескольким кадрам, тем самым увеличивая скорость передачи данных на уровне пользователя. Агрегирование A-MPDU требует использования подтверждения блока или BlockAck, которое было введено в 802.11e и оптимизировано в 802.11n.
Когда 802.11g был выпущен для совместного использования полосы с существующими устройствами 802.11b, он предоставил способы обеспечения сосуществования между устаревшими и последующими устройствами. 802.11n расширяет возможности управления сосуществованием для защиты передачи от устаревших устройств, включая 802.11g, 802.11b и 802.11a. Механизмы защиты уровня MAC и PHY перечислены ниже:
Для достижения максимальной производительности рекомендуется чистая сеть 802.11n 5 ГГц. Диапазон 5 ГГц имеет значительную пропускную способность из-за множества неперекрывающихся радиоканалов и меньшего количества радиопомех по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц. Сеть только 802.11n может быть непрактичной для многих пользователей, поскольку им необходимо поддерживать устаревшее оборудование, которое по-прежнему поддерживает только 802.11b / g. В системе со смешанным режимом оптимальным решением было бы использовать точку доступа с двумя радиомодулями и разместить трафик 802.11b / g на радиомодуле 2,4 ГГц и трафик 802.11n на радиомодуле 5 ГГц. Эта настройка предполагает, что все клиенты 802.11n поддерживают частоту 5 ГГц, что не является требованием стандарта. Довольно много устройств с поддержкой Wi-Fi поддерживают только 2,4 ГГц, и нет практического способа обновить их для поддержки 5 ГГц. Некоторые точки доступа корпоративного уровня используют управление диапазоном для отправки клиентов 802.11n в диапазон 5 ГГц, оставляя диапазон 2,4 ГГц для устаревших клиентов. Управление диапазоном работает, отвечая только на запросы ассоциации 5 ГГц, а не запросы 2,4 ГГц от двухдиапазонных клиентов.
Диапазон ISM 2,4 ГГц довольно загружен. В стандарте 802.11n есть возможность удвоить полосу пропускания на канал до 40 МГц, что дает чуть более чем удвоенную скорость передачи данных. Однако в Северной Америке, когда используется частота 2,4 ГГц, включение этой опции занимает до 82% нелицензируемого диапазона. Например, SCA канала 3 (указанный выше вторичный канал), также известный как 3 + 7, резервирует первые 9 из 11 доступных каналов. В Европе и других местах, где доступны каналы 1–13, при распределении 1 + 5 используется чуть более 50% каналов, но перекрытие с 9 + 13 обычно не является значительным, поскольку оно находится на краях диапазонов, и поэтому две полосы по 40 МГц обычно работают, если передатчики физически не расположены очень близко друг к другу.
Спецификация требует наличия одного первичного канала 20 МГц, а также вторичного соседнего канала, отстоящего друг от друга на ± 20 МГц. Первичный канал используется для связи с клиентами, не поддерживающими режим 40 МГц. В режиме 40 МГц центральная частота фактически является средним значением для первичного и вторичного каналов.
Основной канал | 20 МГц | 40 МГц выше | На 40 МГц ниже | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Блоки | 2-й гл. | Центр | Блоки | 2-й гл. | Центр | Блоки | |
1 | 1–3 | 5 | 3 | 1–7 | N / A | ||
2 | 1–4 | 6 | 4 | 1–8 | N / A | ||
3 | 1–5 | 7 | 5 | 1–9 | N / A | ||
4 | 2–6 | 8 | 6 | 2–10 | N / A | ||
5 | 3–7 | 9 | 7 | 3–11 | 1 | 3 | 1–7 |
6 | 4–8 | 10 | 8 | 4–12 | 2 | 4 | 1–8 |
7 | 5–9 | 11 | 9 | 5–13 | 3 | 5 | 1–9 |
8 | 6–10 | 12 | 10 | 6–13 | 4 | 6 | 2–10 |
9 | 7–11 | 13 | 11 | 7–13 | 5 | 7 | 3–11 |
10 | 8–12 | N / A | 6 | 8 | 4–12 | ||
11 | 9–13 | N / A | 7 | 9 | 5–13 | ||
12 | 10–13 | N / A | 8 | 10 | 6–13 | ||
13 | 11–13 | N / A | 9 | 11 | 7–13 |
Местные правила могут ограничивать работу определенных каналов. Например, каналы 12 и 13 обычно недоступны для использования в качестве первичного или вторичного канала в Северной Америке. Для получения дополнительной информации см. Список каналов WLAN.
Программа сертификации Wi-Fi Alliance объединила усилия предыдущего отраслевого консорциума по определению стандарта 802.11n, такие как ныне бездействующий Enhanced Wireless Consortium (EWC). Wi-Fi Alliance модернизировал свой набор тестов совместимости для некоторых улучшений, которые были доработаны после 2,0. Кроме того, он подтвердил, что все продукты, сертифицированные draft-n, остаются совместимыми с продуктами, соответствующими окончательным стандартам. Wi-Fi Alliance изучает дальнейшую работу по сертификации дополнительных функций 802.11n, не охваченных базовой сертификацией, включая большее количество пространственных потоков (3 или 4), формат Greenfield, PSMP, неявное и явное формирование луча и пространственно-временные блоки. кодирование.
Начиная с 2006 года, когда был опубликован первый проект стандарта IEEE 802.11n, производители по всему миру производили так называемые продукты " draft-n ", которые утверждают, что соответствуют проекту стандарта, до окончательной доработки стандарта, что означает, что они могут не быть совместимыми с продуктами, произведенными в соответствии со стандартом IEEE 802.11 после публикации стандарта, ни даже между собой. Wi-Fi Alliance начал сертификацию продуктов на основе проекта 2.0 IEEE 802.11n в середине 2007 года. Эта программа сертификации установила набор функций и уровень взаимодействия между поставщиками, поддерживающими эти функции, тем самым предоставив одно определение «черновика n» для обеспечения совместимости и взаимодействия. Базовая сертификация охватывает каналы шириной 20 МГц и 40 МГц и до двух пространственных потоков с максимальной пропускной способностью 144,4 Мбит / с для 20 МГц и 300 Мбит / с для 40 МГц (с коротким защитным интервалом ). Ряд поставщиков как в потребительской, так и в корпоративной сфере создали продукты, получившие эту сертификацию.
Следующие вехи в развитии 802.11n:
| ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Частотный диапазон или тип | PHY | Протокол | Дата выхода | Частота | Пропускная способность | Скорость потоковой передачи данных | Допустимые потоки MIMO | Модуляция | Приблизительный диапазон | |||
В помещении | Открытый | |||||||||||
(ГГц) | (МГц) | (Мбит / с) | ||||||||||
1–6 ГГц | DSSS / FHSS | 802.11-1997 | Июнь 1997 г. | 2,4 | 22 | 1, 2 | N / A | DSSS, FHSS | 20 м (66 футов) | 100 м (330 футов) | ||
HR-DSSS | 802.11b | Сентябрь 1999 | 2,4 | 22 | 1, 2, 5.5, 11 | N / A | DSSS | 35 м (115 футов) | 140 м (460 футов) | |||
OFDM | 802.11a | Сентябрь 1999 | 5 | 10.05.20 | 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 (для полосы пропускания 20 МГц разделите на 2 и 4 для 10 и 5 МГц) | N / A | OFDM | 35 м (115 футов) | 120 м (390 футов) | |||
802.11j | Ноя 2004 | 4,9 / 5,0 | ? | ? | ||||||||
802.11p | Июль 2010 г. | 5.9 | ? | 1000 м (3300 футов) | ||||||||
802.11y | Ноя 2008 | 3,7 | ? | 5000 м (16000 футов) | ||||||||
ERP-OFDM | 802,11 г | Июнь 2003 г. | 2,4 | 38 м (125 футов) | 140 м (460 футов) | |||||||
HT-OFDM | 802.11n (Wi-Fi 4) | Октябрь 2009 г. | 2,4 / 5 | 20 | До 288,8 | 4 | MIMO-OFDM | 70 м (230 футов) | 250 м (820 футов) | |||
40 | До 600 | |||||||||||
VHT-OFDM | 802.11ac (Wi-Fi 5) | Декабрь 2013 | 5 | 20 | До 346,8 | 8 | MIMO-OFDM | 35 м (115 футов) | ? | |||
40 | До 800 | |||||||||||
80 | До 1733,2 | |||||||||||
160 | До 3466,8 | |||||||||||
ОН-ОФДМА | 802.11ax (Wi-Fi 6) | Февраль 2021 г. | 2,4 / 5/6 | 20 | До 1147 г. | 8 | MIMO-OFDM | 30 м (98 футов) | 120 м (390 футов) | |||
40 | До 2294 | |||||||||||
80 | До 4804 | |||||||||||
80 + 80 | До 9608 | |||||||||||
ммволна | DMG | 802.11ad | Декабрь 2012 г. | 60 | 2160 | До 6,757 (6,7 Гбит / с) | N / A | OFDM, одного несущие малая мощность одного несущих | 3,3 м (11 футов) | ? | ||
802.11aj | Апр 2018 | 45/60 | 540/1080 | До 15000 (15 Гбит / с) | 4 | OFDM, одиночная несущая | ? | ? | ||||
EDMG | 802.11ay | Стандартное восточное время. Март 2021 г. | 60 | 8000 | До 20 000 (20 Гбит / с) | 4 | OFDM, одиночная несущая | 10 м (33 футов) | 100 м (328 футов) | |||
IoT в диапазоне частот ниже 1 ГГц | TVHT | 802.11af | Февраль 2014 г. | 0,054–0,79 | 6–8 | До 568,9 | 4 | MIMO-OFDM | ? | ? | ||
S1G | 802.11ah | Декабрь 2016 | 0,7 / 0,8 / 0,9 | 1–16 | До 8,67 (@ 2 МГц) | 4 | ? | ? | ||||
2,4 ГГц, 5 ГГц | WUR | 802.11ba | Стандартное восточное время. Март 2021 г. | 2,4 / 5 | 4.06 | 0,0625, 0,25 (62,5 кбит / с, 250 кбит / с) | N / A | OOK (Многоканальный OOK) | ? | ? | ||
Свет ( Li-Fi ) | ИК | 802.11-1997 | Июнь 1997 г. | ? | ? | 1, 2 | N / A | PPM | ? | ? | ||
? | 802.11bb | Стандартное восточное время. Июл 2022 г. | 60000-790000 | ? | ? | N / A | ? | ? | ? | |||
Стандартные свертки 802.11 | ||||||||||||
802.11-2007 | Март 2007 г. | 2,4, 5 | До 54 | DSSS, OFDM | ||||||||
802.11-2012 | Март 2012 г. | 2,4, 5 | До 150 | DSSS, OFDM | ||||||||
802.11-2016 | Декабрь 2016 | 2,4, 5, 60 | До 866,7 или 6 757 | DSSS, OFDM | ||||||||
802.11-2020 | Декабрь 2020 | 2,4, 5, 60 | До 866,7 или 6 757 | DSSS, OFDM | ||||||||
|