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IEEE 802.11n-2009

IEEE 802.11n-2009 , o 802.11n , es un estándar de redes inalámbricas que utiliza múltiples antenas para aumentar las velocidades de datos. La Wi-Fi Alliance también ha etiquetado retroactivamente la tecnología del estándar como Wi-Fi 4 . [7] [8] Estandarizó el soporte para múltiples entradas , múltiples salidas, agregación de cuadros y mejoras de seguridad, entre otras características, y se puede utilizar en las bandas de frecuencia de 2,4 GHz o 5 GHz.

Como el primer estándar Wi-Fi que introdujo la compatibilidad con MIMO (múltiples entradas y múltiples salidas), a veces los dispositivos/sistemas que admiten el estándar 802.11n (o una versión preliminar del estándar) se denominan MIMO (productos Wi-Fi). , especialmente antes de la introducción del estándar de próxima generación. [9] Airgo Networks demostró por primera vez el uso de MIMO- OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal) para aumentar la velocidad de datos manteniendo el mismo espectro que 802.11a. [10]

El objetivo del estándar es mejorar el rendimiento de la red con respecto a los dos estándares anteriores ( 802.11a y 802.11g ), con un aumento significativo en la velocidad de datos neta máxima de 54 Mbit/s a 72 Mbit/s con un único flujo espacial en 20 Canal MHz y 600 Mbit/s ( tasa de bits bruta ligeramente superior , incluidos, por ejemplo, códigos de corrección de errores, y rendimiento máximo ligeramente inferior ) con el uso de cuatro flujos espaciales en un ancho de canal de 40 MHz. [11] [12]

IEEE 802.11n-2009 es una enmienda al estándar de redes inalámbricas IEEE 802.11-2007 . 802.11 es un conjunto de estándares IEEE que rigen los métodos de transmisión de redes inalámbricas. Se utilizan habitualmente hoy en día en sus versiones 802.11a , 802.11b , 802.11g , 802.11n, 802.11ac y 802.11ax para proporcionar conectividad inalámbrica en hogares y empresas. El desarrollo de 802.11n comenzó en 2002, siete años antes de su publicación. El protocolo 802.11n ahora es la Cláusula 20 del estándar IEEE 802.11-2012 publicado .

Descripción

IEEE 802.11n es una enmienda a IEEE 802.11-2007 según lo enmendado por IEEE 802.11kk-2008 , IEEE 802.11r-2008 , IEEE 802.11y-2008 e IEEE 802.11w-2009 , y se construye en los estándares anteriores 802.11 agregando múltiples- sistema de entrada de múltiples salidas (MIMO) y canales de 40 MHz a la PHY (capa física) y agregación de tramas a la capa MAC . Existían implementaciones propietarias más antiguas de MIMO y canales de 40 MHz, como Xpress , Super G y Nitro , que se basaban en la tecnología 802.11g y 802.11a, pero esta fue la primera vez que se estandarizó en todos los fabricantes de radio.

MIMO es una tecnología que utiliza múltiples antenas para resolver de manera coherente más información de la que es posible usando una sola antena. Una forma de lograrlo es a través de la multiplexación por división espacial (SDM), que multiplexa espacialmente múltiples flujos de datos independientes, transferidos simultáneamente dentro de un canal espectral de ancho de banda. MIMO SDM puede aumentar significativamente el rendimiento de datos a medida que aumenta la cantidad de flujos de datos espaciales resueltos. Cada flujo espacial requiere una antena discreta tanto en el transmisor como en el receptor. Además, la tecnología MIMO requiere una cadena de radiofrecuencia separada y un convertidor analógico-digital para cada antena, lo que hace que su implementación sea más costosa que los sistemas que no son MIMO.

Los canales que operan con un ancho de 40 MHz son otra característica incorporada al 802.11n; esto duplica el ancho del canal de 20 MHz en los PHY 802.11 anteriores para transmitir datos y proporciona el doble de la velocidad de datos PHY disponible en un solo canal de 20 MHz. Se puede habilitar en el modo de 5 GHz o en el modo de 2,4 GHz si se sabe que no interferirá con ningún otro sistema 802.11 o no 802.11 (como Bluetooth) que utilice las mismas frecuencias. [13] La arquitectura MIMO, junto con los canales más amplios, ofrece una mayor velocidad de transferencia física sobre los estándares 802.11a (5 GHz) y 802.11g (2,4 GHz). [14]

Codificación de datos

El transmisor y el receptor utilizan técnicas de precodificación y poscodificación, respectivamente, para lograr la capacidad de un enlace MIMO. La precodificación incluye formación de haces espacial y codificación espacial, donde la formación de haces espacial mejora la calidad de la señal recibida en la etapa de decodificación. La codificación espacial puede aumentar el rendimiento de los datos mediante la multiplexación espacial y aumentar el alcance explotando la diversidad espacial, a través de técnicas como la codificación Alamouti .

Número de antenas y flujos de datos.

El número de flujos de datos simultáneos está limitado por el número mínimo de antenas en uso en ambos lados del enlace. Sin embargo, las radios individuales a menudo limitan aún más la cantidad de flujos espaciales que pueden transportar datos únicos. La notación a × b  : c ayuda a identificar de qué es capaz una radio determinada. El primer número ( a ) es el número máximo de antenas de transmisión o cadenas TF de transmisión que puede utilizar la radio. El segundo número ( b ) es el número máximo de antenas receptoras o cadenas de RF receptoras que puede utilizar la radio. El tercer número ( c ) es el número máximo de flujos espaciales de datos que la radio puede utilizar. Por ejemplo, una radio que puede transmitir con dos antenas y recibir con tres, pero solo puede enviar o recibir dos flujos de datos, sería 2 × 3: 2.

El borrador 802.11n permite hasta 4 × 4: 4. Las configuraciones comunes de dispositivos 11n son 2 × 2: 2 , 2 × 3: 2 y 3 × 2: 2 . Las tres configuraciones tienen el mismo rendimiento y características máximas, y difieren sólo en la cantidad de diversidad que brindan los sistemas de antena. Además, se está volviendo común una cuarta configuración, 3 × 3: 3 , que tiene un mayor rendimiento debido al flujo de datos adicional. [15]

Tasas de transferencia de datos

Suponiendo parámetros operativos iguales a los de una red 802.11g que alcanza 54 megabits por segundo (en un solo canal de 20 MHz con una antena), una red 802.11n puede alcanzar 72 megabits por segundo (en un solo canal de 20 MHz con una antena y protección de 400 ns). intervalo ); La velocidad de 802.11n puede llegar hasta 150 megabits por segundo si no hay otras emisiones de Bluetooth, microondas o Wi-Fi en el vecindario mediante el uso de dos canales de 20 MHz en modo de 40 MHz. Si se utilizan más antenas, entonces 802.11n puede alcanzar hasta 288 megabits por segundo en modo de 20 MHz con cuatro antenas, o 600 megabits por segundo en modo de 40 MHz con cuatro antenas y un intervalo de guarda de 400 ns. Debido a que la banda de 2,4 GHz está seriamente congestionada en la mayoría de las áreas urbanas, las redes 802.11n generalmente tienen más éxito en aumentar la velocidad de datos utilizando más antenas en el modo de 20 MHz en lugar de operar en el modo de 40 MHz, ya que el modo de 40 MHz requiere un Espectro de radio gratuito que sólo está disponible en zonas rurales alejadas de las ciudades. Por lo tanto, los ingenieros de redes que instalan una red 802.11n deben esforzarse por seleccionar enrutadores y clientes inalámbricos con la mayor cantidad de antenas posibles (una, dos, tres o cuatro según lo especificado por el estándar 802.11n) y tratar de asegurarse de que el ancho de banda de la red sea satisfactorio. incluso en el modo de 20 MHz.

Sólo con un máximo de cuatro flujos espaciales en un canal de 40 MHz de ancho se alcanzan velocidades de datos de hasta 600 Mbit/s. El estándar define varios esquemas de modulación y velocidades de codificación, y también asigna un número arbitrario a cada uno; este número es el índice del esquema de modulación y codificación , o índice MCS . La siguiente tabla muestra las relaciones entre las variables que permiten la velocidad de datos máxima. GI (Intervalo de guardia): Temporización entre símbolos. [dieciséis]

El canal de 20 MHz utiliza una FFT de 64, de las cuales: 56 subportadoras OFDM , 52 son para datos y 4 son tonos piloto con una separación de portadoras de 0,3125 MHz (20 MHz/64) (3,2 μs). Cada una de estas subportadoras puede ser BPSK , QPSK , 16- QAM o 64- QAM . El ancho de banda total es de 20 MHz con un ancho de banda ocupado de 17,8 MHz. La duración total del símbolo es de 3,6 o 4 microsegundos , lo que incluye un intervalo de guardia de 0,4 (también conocido como intervalo de guardia corto (SGI)) o 0,8 microsegundos.

Agregación de cuadros

La velocidad de datos del nivel PHY no coincide con el rendimiento del nivel de usuario debido a los gastos generales del protocolo 802.11, como el proceso de contención, el espaciado entre cuadros, los encabezados del nivel PHY (Preámbulo + PLCP) y los marcos de reconocimiento. La principal característica de control de acceso a medios (MAC) que proporciona una mejora en el rendimiento es la agregación. Se definen dos tipos de agregación:

  1. Agregación de unidades de datos de servicio MAC (MSDU) en la parte superior de la MAC (denominada agregación de MSDU o A-MSDU)
  2. Agregación de unidades de datos de protocolo MAC (MPDU) en la parte inferior del MAC (denominada agregación de MPDU o A-MPDU)

La agregación de tramas es un proceso de empaquetar múltiples MSDU o MPDU juntas para reducir los gastos generales y promediarlos en múltiples tramas, aumentando así la velocidad de datos a nivel de usuario. La agregación de A-MPDU requiere el uso de reconocimiento de bloque o BlockAck, que se introdujo en 802.11e y se optimizó en 802.11n.

Compatibilidad con versiones anteriores

Cuando se lanzó 802.11g para compartir la banda con los dispositivos 802.11b existentes, proporcionó formas de garantizar la compatibilidad con versiones anteriores entre los dispositivos heredados y sucesores. 802.11n amplía la gestión de coexistencia para proteger sus transmisiones desde dispositivos heredados, que incluyen 802.11g , 802.11b y 802.11a . Existen mecanismos de protección de nivel MAC y PHY que se enumeran a continuación:

  1. Protección de nivel PHY: Protección de formato de modo mixto (también conocida como protección L-SIG TXOP): en modo mixto, cada transmisión 802.11n siempre está integrada en una transmisión 802.11a o 802.11g. Para transmisiones de 20 MHz, esta integración se encarga de la protección con 802.11a y 802.11g. Sin embargo, los dispositivos 802.11b aún necesitan protección CTS . [ cita necesaria ]
  2. Protección de nivel PHY: las transmisiones que utilizan un canal de 40 MHz en presencia de clientes 802.11a o 802.11g requieren el uso de protección CTS en ambas mitades de 20 MHz del canal de 40 MHz, para evitar interferencias con dispositivos heredados. [ cita necesaria ]
  3. Protección de nivel MAC: se puede utilizar un intercambio de tramas RTS/CTS o una transmisión de tramas CTS a velocidades heredadas para proteger la transmisión 11n posterior. [ cita necesaria ]

Estrategias de implementación

Para lograr el máximo rendimiento, se recomienda una red pura 802.11n de 5 GHz. La banda de 5 GHz tiene una capacidad sustancial debido a que muchos canales de radio no se superponen y tienen menos interferencias de radio en comparación con la banda de 2,4 GHz. [17] Una red sólo 802.11n puede resultar poco práctica para muchos usuarios porque necesitan admitir equipos heredados que todavía son sólo 802.11b/g. En un sistema de modo mixto, una solución óptima sería utilizar un punto de acceso de radio dual y colocar el tráfico 802.11b/g en la radio de 2,4 GHz y el tráfico 802.11n en la radio de 5 GHz. [18] Esta configuración supone que todos los clientes 802.11n tienen capacidad de 5 GHz, lo cual no es un requisito del estándar. Muchos dispositivos con capacidad Wi-Fi solo admiten 2,4 GHz y no existe una forma práctica de actualizarlos para que admitan 5 GHz. Algunos AP de nivel empresarial utilizan dirección de banda para enviar clientes 802.11n a la banda de 5 GHz, dejando la banda de 2,4 GHz para clientes heredados. La dirección de banda funciona respondiendo solo a las solicitudes de asociación de 5 GHz y no a las solicitudes de 2,4 GHz de clientes de doble banda. [19]

Canales de 40 MHz en 2,4 GHz

La  banda ISM de 2,4 GHz está bastante congestionada. Con 802.11n, existe la opción de duplicar el ancho de banda por canal a 40 MHz (canal ancho), lo que resulta en poco más del doble de la velocidad de datos. Sin embargo, en América del Norte, en 2,4 GHz, habilitar esta opción ocupa hasta el 82% de la banda sin licencia. Por ejemplo, el canal 3 SCA (canal secundario arriba), también conocido como 3+7, reserva los primeros 9 de los 11 canales disponibles. En Europa y otros lugares donde los canales 1 a 13 están disponibles, la asignación del 1+5 utiliza algo más del 50% de los canales, pero la superposición con el 9+13 no suele ser significativa ya que se encuentra en los bordes de las bandas, por lo que Normalmente, dos bandas de 40 MHz funcionan a menos que los transmisores estén físicamente muy juntos. [ ¿ investigacion original? ]

La especificación exige un canal primario de 20 MHz, así como un canal secundario adyacente espaciado a ±20 MHz. El canal principal se utiliza para comunicaciones con clientes que no pueden utilizar el modo de 40 MHz. Cuando está en modo de 40 MHz, la frecuencia central es en realidad la media de los canales primario y secundario.

Las regulaciones locales pueden restringir el funcionamiento de ciertos canales. Por ejemplo, los canales 12 y 13 normalmente no están disponibles para su uso como canal principal o secundario en Norteamérica. Para obtener más información, consulte Lista de canales WLAN .

Programa de certificación de la Alianza Wi-Fi

La Wi-Fi Alliance ha actualizado su conjunto de pruebas de compatibilidad para algunas mejoras que se finalizaron después de la versión 2.0. Además, ha afirmado que todos los productos certificados draft-n siguen siendo compatibles con los productos que cumplen con los estándares finales. [20]

borrador-n

Después de que se publicara el primer borrador del estándar IEEE 802.11n en 2006, muchos fabricantes comenzaron a producir los productos llamados " draft-n " que afirmaban cumplir con el borrador del estándar, incluso antes de la finalización del estándar, lo que significa que podrían no ser interoperativos. con productos fabricados según el estándar IEEE 802.11 después de la publicación del estándar, ni siquiera entre ellos mismos. [21] La Wi-Fi Alliance comenzó a certificar productos basados ​​en IEEE 802.11n borrador 2.0 a mediados de 2007. [22] [23] Este programa de certificación estableció un conjunto de características y un nivel de interoperabilidad entre los proveedores que respaldan esas características, proporcionando así una definición de "borrador n" para garantizar la compatibilidad y la interoperabilidad. La certificación básica cubre canales de 20 MHz y 40 MHz de ancho, y hasta dos flujos espaciales, para rendimientos máximos de 144,4 Mbit/s para 20 MHz y 300 Mbit/s para 40 MHz (con intervalo de guarda corto ). Varios proveedores tanto del ámbito empresarial como del consumidor han creado productos que han obtenido esta certificación. [24]

Línea de tiempo

Los siguientes son hitos en el desarrollo de 802.11n: [25]

11 de septiembre de 2002
Se celebró la primera reunión del Grupo de Estudio de Alto Rendimiento (HTSG). A principios de año, en el comité permanente de Wireless Next Generation (WNG SC), se escucharon presentaciones sobre por qué necesitan cambios y cuál sería el rendimiento objetivo que se requeriría para justificar las enmiendas. En mayo de 2002 se llegó a un acuerdo para retrasar el inicio del Grupo de Estudio hasta septiembre para permitir que 11g completara el trabajo principal durante la sesión de julio de 2002.
11 de septiembre de 2003
El Comité de Nuevos Estándares (NesCom) de IEEE-SA aprobó la Solicitud de Autorización de Proyecto (PAR) con el propósito de modificar el estándar 802.11-2007. El nuevo Grupo de Trabajo 802.11 (TGn) desarrollará una nueva enmienda. La enmienda TGn se basa en IEEE Std 802.11-2007, modificada por IEEE Std 802.11k-2008, IEEE Std 802.11r-2008, IEEE Std 802.11y-2008 e IEEE P802.11w. TGn será la quinta enmienda al estándar 802.11-2007. El alcance de este proyecto es definir una enmienda que definirá modificaciones estandarizadas tanto a las capas físicas (PHY) de 802.11 como a la capa de control de acceso al medio (MAC) de 802.11 para que se puedan habilitar modos de operación que sean capaces de rendimientos mucho más altos. con un rendimiento máximo de al menos 100 Mbit/s, medido en el punto de acceso al servicio de datos (SAP) MAC.
15 de septiembre de 2003
La primera reunión del nuevo 802.11 Task Group (TGn).
17 de mayo de 2004
Se emitió la convocatoria de propuestas.
13 de septiembre de 2004
Se escucharon 32 propuestas de la primera ronda.
marzo de 2005
Las propuestas se redujeron a una sola propuesta, pero no hay un consenso del 75% sobre ninguna propuesta. Se realizaron más esfuerzos durante las siguientes 3 sesiones sin poder llegar a un acuerdo sobre una sola propuesta.
julio de 2005
Los competidores anteriores TGn Sync, WWiSE y un tercer grupo, MITMOT, dijeron que fusionarían sus respectivas propuestas en un borrador. Se esperaba que el proceso de estandarización finalizara en el segundo trimestre de 2009.
19 de enero de 2006
El grupo de trabajo IEEE 802.11n aprobó la especificación de la propuesta conjunta, mejorada por el borrador de la especificación del EWC.
marzo de 2006
El Grupo de Trabajo IEEE 802.11 envió el borrador 802.11n a su primera votación, lo que permitió a los más de 500 votantes de 802.11 revisar el documento y sugerir correcciones de errores, cambios y mejoras.
2 de mayo de 2006
El grupo de trabajo IEEE 802.11 votó a favor de no enviar el borrador 1.0 del estándar 802.11n propuesto. Sólo el 46,6% votó a favor de la votación. Para pasar al siguiente paso en el proceso de estándares IEEE, se requiere una mayoría de votos del 75%. Esta carta electoral también generó aproximadamente 12.000 comentarios, muchos más de los previstos.
noviembre de 2006
TGn votó a favor de aceptar la versión preliminar 1.06, incorporando todas las resoluciones de comentarios técnicos y editoriales aceptadas antes de esta reunión. Durante la sesión de noviembre se aprobaron 800 resoluciones de comentarios adicionales que se incorporarán en la próxima revisión del borrador. A partir de esta reunión, tres de los 18 grupos ad hoc de temas de comentarios creados en mayo habían completado su trabajo y el 88% de los comentarios técnicos se habían resuelto, quedando aproximadamente 370 restantes.
19 de enero de 2007
El Grupo de Trabajo IEEE 802.11 por unanimidad (100 sí, 0 no, 5 abstenciones) aprobó una solicitud del Grupo de Trabajo 802.11n para emitir un nuevo borrador 2.0 del estándar propuesto. El borrador 2.0 se basó en la versión 1.10 del borrador de trabajo del Grupo de Trabajo. El Borrador 2.0 era en este momento el resultado acumulativo de miles de cambios al documento 11n según todos los comentarios anteriores.
7 de febrero de 2007
Los resultados de la Carta Electoral 95, una votación procesal de 15 días, se aprobaron con un 97,99% de aprobación y un 2,01% de desaprobación. El mismo día, el Grupo de Trabajo 802.11 anunció la apertura de la Carta Electoral 97. Invitó a que se realizaran comentarios técnicos detallados hasta su cierre el 9 de marzo de 2007.
9 de marzo de 2007
Carta Votación 97, la votación Técnica de 30 días para aprobar el borrador 2.0, cerrada. Fueron anunciados por los líderes de IEEE 802 durante la sesión plenaria de Orlando el 12 de marzo de 2007. La votación fue aprobada con una aprobación del 83,4%, por encima del umbral mínimo de aprobación del 75%. Todavía quedaban aproximadamente 3.076 comentarios únicos, que debían examinarse individualmente para incorporarlos en la próxima revisión del borrador 2.
25 de junio de 2007
La Wi-Fi Alliance anunció su programa de certificación oficial para dispositivos basados ​​en el borrador 2.0.
7 de septiembre de 2007
El Grupo de Trabajo acordó todas las cuestiones pendientes para el borrador 2.07. Se autoriza el borrador 3.0, con la expectativa de que se someta a votación de los patrocinadores en noviembre de 2007.
noviembre de 2007
Se aprobó el Proyecto 3.0 (240 votaron a favor, 43 en contra y 27 se abstuvieron). Se autorizó al editor a elaborar el borrador 3.01.
enero de 2008
Se aprueba el Proyecto 3.02. Esta versión incorpora comentarios técnicos y editoriales previamente aprobados. Quedan 127 comentarios técnicos sin resolver. Se esperaba que todos los comentarios restantes se resolvieran y que TGn y WG11 publicaran posteriormente el borrador 4.0 para la votación de recirculación del grupo de trabajo después de la reunión de marzo.
mayo de 2008
Borrador 4.0 aprobado.
julio de 2008
Borrador 5.0 aprobado y cronograma de publicación anticipado modificado.
septiembre de 2008
Borrador 6.0 aprobado.
noviembre de 2008
Borrador 7.0 aprobado.
enero de 2009
Borrador 7.0 enviado a la boleta de patrocinadores; se aprobó la votación de los patrocinadores (158 a favor, 45 en contra, 21 abstenciones); Se recibieron 241 comentarios.
marzo de 2009
El Borrador 8.0 procedió a patrocinar la recirculación de boletas; la votación fue aprobada por una mayoría del 80,1% (se requiere el 75%) (228 votos recibidos, 169 aprueban, 42 no aprueban); 277 miembros están en el grupo de votación de patrocinadores; El comité de resolución de comentarios resolvió los 77 comentarios recibidos y autorizó al editor a crear un borrador 9.0 para su posterior votación.
4 de abril de 2009
El borrador 9.0 aprobó la recirculación de votos de los patrocinadores; la votación fue aprobada por una mayoría del 80,7% (se requiere el 75%) (233 votos recibidos, 171 aprueban, 41 no aprueban); 277 miembros están en el grupo de votación de patrocinadores; El comité de resolución de comentarios está resolviendo los 23 nuevos comentarios recibidos y autorizará al editor a crear un nuevo borrador para su posterior votación.
15 de mayo de 2009
El borrador 10.0 pasó la recirculación de votos de los patrocinadores.
23 de junio de 2009
El borrador 11.0 pasó la recirculación de votos de los patrocinadores.
17 de julio de 2009
La aprobación final del GT fue aprobada con 53 votos a favor, 1 en contra y 6 abstenciones. [26] Aprobación unánime para enviar el borrador 11.0 final del GT al RevCom. [27]
11 de septiembre de 2009
Aprobación del RevCom/Junta de Normas. [28]
29 de octubre de 2009
Publicado. [12]

Comparación

Ver también

Estándar

Notas

  1. ^ Wi-Fi 6E es el nombre industrial que identifica los dispositivos Wi-Fi que funcionan en 6 GHz. Wi-Fi 6E ofrece las características y capacidades de Wi-Fi 6 extendidas a la banda de 6 GHz.
  2. ^ 802.11ac solo especifica el funcionamiento en la banda de 5 GHz. El funcionamiento en la banda de 2,4 GHz está especificado por 802.11n.
  3. ^ Por flujo espacial.

Referencias

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