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802.11 Prime

El PHY más antiguo aún admitido por los dispositivos modernos 802.11 es el de Espectro Ensanchado por Secuencia Directa (DSSS, por sus siglas en inglés), y se incluyó en el primer estándar 802.11 ratificado, conocido como 802.11-Prime. DSSS utiliza un canal de 22 MHz de ancho y opera únicamente en la banda de 2.4 GHz.

Cada canal se asigna en función de una frecuencia central, como 2.412 GHz para el canal 1, y utiliza 11 MHz a cada lado de la frecuencia central. Por lo tanto, el canal 1 utilizaría el rango de 2.401 a 2.423 para el canal de 22 MHz, y el canal 6 utilizaría 2.437 como frecuencia central y abarcaría desde 2.426 hasta 2.448.

Al igual que todos los PHY introducidos antes de 802.11n (HT), DSSS solo admite un spatial stream. Es un PHY SISO (entrada única/salida única). El transciever (transmisor/receptor) envía un flujo de datos o recibe un flujo de datos a la vez. 802.11n y 802.11ac, así como futuros PHY, admiten múltiples flujos para la transmisión y recepción mediante MIMO (entrada múltiple/salida múltiple), lo que aumenta significativamente las tasas de datos disponibles.

Es importante recordar que los datas rates admitidos por DSSS es sencillo. Solo se admiten dos tasas de datos: 1 Mbps o 2 Mbps. Según los estándares actuales, este PHY es muy lento. Sin embargo, el PHY DSSS es compatible con todos los dispositivos 802.11 que operan en la banda de 2.4 GHz, incluyendo los más recientes dispositivos 802.11n, 802.11ac y 802.11ax.

802.11b

El PHY High Rate / Direct Sequence Spread Spectrum (HR/DSSS) se introdujo con la enmienda 802.11b en 1999. Introdujo técnicas de modulación más avanzadas, permitiendo data rates de 5.5 y 11 Mbps mientras aún soporta las tasas de datos de DSSS de 1 y 2 Mbps. HR/DSSS utiliza los mismos canales de 22 MHz de ancho que DSSS y admite solo un spatial stream. Al igual que DSSS, HR/DSSS opera solo en la banda de frecuencia de 2.4 GHz.

802.11a

The Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) El PHY de Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) fue el primero en admitir operaciones en la banda de 5 GHz. Este PHY estuvo disponible a través de la enmienda 802.11a en 1999. Además del soporte para la banda de 5 GHz, OFDM fue el primero en utilizar canales de 20 MHz en lugar de canales de 22 MHz. Todos los PHY modernos basados en OFDM utilizan canales de 20 MHz

OFDM sigue utilizando un solo spatial stream, pero con una modulación mejorada, admite data rates de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. No admite 1, 2, 5.5 ni 11 Mbps. OFDM opera en 5 GHz y no necesita ser compatible con DSSS ni HR/DSSS.

802.11g

The Extended Rate Phy (ERP) fue introducido en junio de 2003 para llevar la modulación OFDM al rango de 2.4 GHz. ERP utiliza la misma modulación OFDM utilizada en dispositivos 802.11a de 5 GHz y utiliza canales de 20 MHz, pero opera en el rango de 2.4 GHz. Hay algunas diferencias ligeras en la forma en que se implementó el PHY, pero es suficiente saber que proporciona la misma funcionalidad básica que OFDM proporcionaba en 5 GHz.

Los dispositivos ERP operan en la frecuencia de 2.4 GHz y ofrecen compatibilidad backward con dispositivos HR/DSSS y DSSS PHY. Esta capacidad de compatibilidad backward es una diferencia clave en comparación con el PHY de OFDM en la banda de 5 GHz. Mientras que el PHY de OFDM en 5 GHz no es compatible backward, los dispositivos ERP (802.11g) admiten tasas de datos DSSS de 1 y 2 Mbps, así como tasas de datos HR/DSSS de 5.5 y 11 Mbps.

Además, los dispositivos ERP admiten las mismas tasas de datos que OFDM (802.11a) en 5 GHz, que son 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. Para ser preciso, el PHY de ERP solo admite tasas de datos de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. Sin embargo, todos los dispositivos que implementan el PHY de ERP también implementan de manera efectiva los PHY de DSSS y HR/DSSS, lo que permite la compatibilidad con tasas de datos de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps.

Nota: OFDM es un esquema de modulación y es a Phy name. Es decir, OFDM PHY usa OFMD como esquema de modulación, pero el esquema de modulación OFDM puede ser utilizado por otros esquemas PHY actuales, como ERP, HT, VHT, y HE.

802.11n

High Throughput PHY (HT) fue introducido en la enmienda 802.11n en octubre de 2009 y ofrece varias ventajas sobre los PHY más antiguos. HT proporciona canales más anchos al combinar dos secciones de 20 MHz en un canal de 40 MHz. Por lo tanto, proporciona canales de 20 MHz o 40 MHz. Un Punto de Acceso (AP) que ofrece un canal de 40 MHz todavía puede atender a clientes de 20 MHz en su canal primario. La segunda sección de 20 MHz se conoce como el canal secundario.

El canal primario será uno de los números de canal definidos, como 1, 6, 11, 36 o 44. Luego, el canal secundario, que proporciona un total de 40 MHz, será el rango de 20 MHz arriba o abajo del canal primario. Al utilizar los 20 MHz arriba del canal primario, se denomina configuración +1. Al utilizar los 20 MHz debajo del canal primario, se denomina configuración -1. Cuando un dispositivo se conecta a un AP que ofrece un canal de 40 MHz y el dispositivo conectado solo admite un canal de 20 MHz, comunicará con el AP utilizando el canal primario. Los dispositivos cliente de 40 MHz pueden utilizar todo el canal de 40 MHz. Recuerda que no debes utilizar canales de 40 MHz en la banda de 2.4 GHz, ya que el ancho de banda de frecuencia disponible es insuficiente para admitir múltiples BSS en diferentes canales con anchos de 40 MHz.

Canales más anchos resultan en data rates más altos incluso sin características adicionales. Sin embargo, el PHY HT también introdujo la capacidad de utilizar múltiples flujos espaciales a través de la técnica de Entrada Múltiple/Salida Múltiple (MIMO, por sus siglas en inglés). MIMO aprovecha los comportamientos de propagación de radiofrecuencia para enviar múltiples flujos de datos simultáneos desde el transmisor al receptor. El PHY de HT admite hasta cuatro flujos espaciales; sin embargo, la mayoría de los dispositivos admiten de uno a tres flujos espaciales cuando utilizan el PHY de HT en la actualidad.

Otra característica pionera del PHY de Alto Rendimiento (HT) es el hecho de que opera tanto en 2.4 GHz como en 5 GHz. Hay más canales disponibles en la banda de 5 GHz, por lo que es la banda preferida. Sin embargo, muchos dispositivos operan solo en 2.4 GHz, por lo que es necesario continuar ofreciendo soporte en casi todas las implementaciones.

Finalmente, el PHY HT ofrece muchas más posibilidades de data rates que los PHY anteriores. Los datas rates reales disponibles dependerán del ancho del canal (20 MHz versus 40 MHz), el número de flujos espaciales y la modulación y codificación utilizadas. Algunos factores adicionales afectan las tasas de datos disponibles, como el Intervalo de Guardia (GI, por sus siglas en inglés). La tasa de datos máxima alcanzable con el PHY de HT, asumiendo un canal de 40 MHz y la tasa de modulación y codificación más alta, es de 600 Mbps. La mayoría de los dispositivos HT o 802.11n admiten tasas de datos máximas de 150, 300 o 450 Mbps, ya que los dispositivos admiten de uno a tres flujos espaciales, pero el estándar permite hasta 600 Mbps.

Es importante tener en cuenta que los dispositivos de 2.4 GHz admitirán tasas de datos máximas de 72.2, 144.4 y 216.7 Mbps (a veces estos números se redondean a 72, 144 y 217 Mbps) porque solo admitirán anchos de canal de 20 MHz en una implementación adecuada.

802.11 ac

Very High Throughput introducido en 2013, lleva las redes 802.11 aún más lejos que el HT. El PHY de VHT ahora admite anchos de canal adicionales de 80 MHz y 160 MHz (aunque no se deben usar canales de 160 MHz en implementaciones empresariales y los canales de 80 MHz deben usarse raramente). El ancho de canal base sigue siendo de 20 MHz, pero se pueden usar dos, cuatro u ocho porciones de 20 MHz para formar los canales más anchos.

Con canales más VHT, 802.11ac también agrega soporte para más spatial streams. Un dispositivo VHT puede utilizar hasta ocho flujos espaciales. Los primeros dispositivos que se lanzaron admitían tres flujos espaciales, pero actualmente hay dispositivos en el mercado que admiten cuatro sptatial streams. Si veremos dispositivos con ocho flujos espaciales aún está por verse, simplemente porque la tendencia general en los dispositivos cliente es mantenerse con menos flujos espaciales, lo que reduce el consumo de batería y, por lo tanto, extiende la vida de la batería.

Es muy importante saber que VHT opera únicamente en la banda de 5 GHz y no tiene soporte en la banda de 2.4 GHz, a diferencia del PHY de HT. La razón principal es simplemente la falta de espacio de frecuencia para canales más anchos en la banda de 2.4 GHz.

Aunque algunos proveedores indican que han implementado 256-QAM (Modulación de Amplitud en Cuadratura, una nueva modulación introducida con VHT) en la banda de 2.4 GHz, lo hacen típicamente porque el conjunto de chips que utilizan lo soporta. Sin embargo, dado que esto no se ajusta al estándar, no se puede asumir que los dispositivos cliente también lo admitirán. No deberías planear obtener las ventajas de 256-QAM en la banda de 2.4 GHz incluso si los Puntos de Acceso (APs) lo permiten.

Finalmente, los dispositivos VHT pueden alcanzar una velocidad de datos máxima de 6933.3 Mbps; sin embargo, esta velocidad requeriría ocho flujos espaciales. Dado que los dispositivos 802.11ac implementan hoy en día no más de cuatro flujos espaciales, la velocidad de datos máxima en el mundo real es de 3466.7 Mbps. Para alcanzar esta velocidad de datos, tanto el Punto de Acceso (AP) como el cliente deben admitir cuatro flujos espaciales y utilizar un canal de 160 MHz.

Es importante recordar siempre que la velocidad de datos disponible para una conexión está limitada por el dispositivo menos capaz en la conexión. Por ejemplo, si un Punto de Acceso (AP) está configurado con un canal de 40 MHz y admite cuatro flujos espaciales, un cliente de cuatro flujos espaciales que admite un canal de 40 MHz podría conectarse potencialmente con una velocidad de datos de 800 Mbps (según el estándar). Sin embargo, un cliente de un solo flujo y canal de 40 MHz se conectará al mismo AP con una velocidad de datos máxima de 200 Mbps. Como se puede ver, la realidad a menudo difiere considerablemente de la literatura de marketing e incluso del potencial del estándar 802.11.

802.11ax

High Efficiency Wireless introdujo la Modulación de Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA) es una nueva modulación introducida en la norma 802.11 con la enmienda 802.11ax. OFDMA se ha utilizado en otras redes y aporta nuevas y útiles características a las WLAN 802.11. La característica más emocionante podría considerarse la «sub-canalización«. Es la capacidad de dividir el canal en múltiples unidades de recursos (subcanales) que pueden utilizarse para transmitir o recibir de manera concurrente desde o hacia múltiples estaciones. Todas las modulaciones anteriores utilizaban el canal completo para comunicarse entre STAs. Esto era válido incluso para la MIMO multiusuario (MU-MIMO).

La siguiente imagen representa frames enviados desde un Punto de Acceso (AP) a cuatro STAs diferentes. Con OFDM y sin MU-MIMO, cada trama debe enviarse sucesivamente. Con OFDMA, se puede asignar una porción del ancho de banda de frecuencia a cada STA y las cuatro tramas pueden enviarse simultáneamente. Se necesitará más tiempo de aire (a la misma tasa de datos) para enviar las cuatro tramas simultáneamente (dado que se utiliza menos ancho de banda para cada trama), pero llevará mucho menos tiempo que enviarlas por separado.

La modulación 1024-QAM también se introduce con 802.11ax. 802.11ac admitía 256-QAM, y esta tasa de modulación más alta aumenta el número de bits que se pueden representar en un símbolo, aumentando efectivamente la velocidad de datos. Sin embargo, requerirá una excelente relación señal-ruido para funcionar y solo funcionará en distancias cortas.

También, encontramos que 802.11ax introdujo MU-MIMO de enlace ascendente (uplink MU-MIMO). 802.11ac introdujo el MU-MIMO solo de enlace descendente,(downlink MU-MIMO) lo cual no resultó muy ventajoso en redes de producción.

El Target Wake Time (TWT) es una nueva capacidad de programación para el ahorro de energía en dispositivos 802.11ax que utilizan exclusivamente OFDMA. En este caso, los clientes solicitan al Punto de Acceso (AP) un horario de sueño, y luego pueden despertarse según sea necesario según dicho horario. Esto elimina la necesidad de que cada cliente se despierte en intervalos predefinidos asignados individualmente. Aunque TWT se introdujo inicialmente en 802.11ah, es más probable que vea un uso más generalizado con la ratificación de 802.11ax.

Finalmente, 802.11ax opera tanto en las bandas de 2.4 GHz como en 5 GHz, a diferencia de 802.11ac, que era exclusivamente de 5 GHz. Esta capacidad de doble banda lleva los beneficios de eficiencia de 802.11ax a la banda de 2.4 GHz, que está muy congestionada y eventualmente se beneficiará de estas mejoras.

802.11ad

Directional Multi-Gigabit (DMG) este PHY opera en la banda de frecuencia de 60 GHz y es una especificación de alta velocidad de datos pero baja alcance. Especifica tres métodos de modulación:

• Modulación de control.
• Modulación de un solo portador (SC).
• Modulación OFDM (este modo se define como obsoleto y puede eliminarse en una versión posterior del estándar).

El PHY DMG admite el rango de 57 a 64 GHz a nivel mundial y de 57 a 66 GHz en Europa. Las áreas específicas admitidas dentro de estos rangos varían según el dominio del regulador.

802.11ah

PHY Sub-1 GHz (S1G) fue diseñado teniendo en cuenta las comunicaciones de largo alcance y baja velocidad de datos, y está definido en la enmienda 802.11ah. Es ideal para redes de Internet de las cosas (IoT) y automatización industrial y monitoreo. El PHY S1G opera en canales de 1, 2, 4, 8 o 16 MHz, y parece probable que más dispositivos utilicen los canales de 1, 2 y 4 MHz, ya que los casos de uso probables no justifican tasas de datos más altas.

La tasa de datos máxima admitida por el PHY S1G es de 346.6667 Mbps. Esta tasa se basa en un canal de 16 MHz y cuatro spatial streams. Dado el deseo de una vida útil prolongada de la batería y la poca necesidad de tasas de datos elevadas, a medida que se lancen dispositivos compatibles con el PHY S1G, es probable que veamos muchos dispositivos de un solo spatial stream. Dichos dispositivos, operando en un máximo probable de canales de 4 u 8 MHz, alcanzarán una tasa de datos máxima de 8666.7 Kbps para un dispositivo de un solo flujo de 2 MHz o 20,000 Kbps (20 Mbps) para un dispositivo de un solo flujo de 4 MHz.