In sy ontwikkelings maak Huawei staat op Wi-Fi 6. En vrae van kollegas en kliënte oor die nuwe generasie van die standaard het ons aangespoor om 'n plasing te skryf oor die teoretiese grondslae en fisiese beginsels wat daarin ingebed is. Kom ons beweeg van geskiedenis na fisika, kom ons kyk van naderby na hoekom OFDMA- en MU-MIMO-tegnologie nodig is. Kom ons praat ook oor hoe die fundamenteel herontwerpte fisiese data-oordragmedium dit moontlik gemaak het om gewaarborgde kanaaldeurvloei te bereik en so 'n vermindering in die algehele vlak van vertragings dat dit vergelykbaar geword het met "operateur s'n". En dit ondanks die feit dat moderne netwerke gebaseer op 5G duurder is (gemiddeld 20-30 keer) as soortgelyke binnenshuise netwerke op Wi-Fi 6.
Vir Huawei is die onderwerp geensins 'n nuttelose een nie: Wi-Fi 6-oplossings is van ons mees deurbraakprodukte in 2020, waarin groot hulpbronne belê is. Om net een voorbeeld te gee, navorsing op die gebied van materiaalwetenskap het ons toegelaat om 'n legering te vind waarvan die gebruik in die radio-elemente van die toegangspunt die sein-tot-geraas-verhouding met 2-3 dB verhoog het: ons haal ons hoede af ten opsigte van aan Doron Ezri (Doron Ezri) vir hierdie prestasie.
'N bietjie geskiedenis
Dit maak sin om die geskiedenis van Wi-Fi sedert 1971 te tel, toe professor Norman Abramson en 'n groep kollegas aan die Universiteit van Hawaii die ALOHAnet draadlose pakkiedatanetwerk ontwikkel, gebou en bekendgestel het.
In 1980 is 'n groep standaarde en protokolle IEEE 802 goedgekeur, wat die organisasie van die twee onderste lae van die sewe-laag OSI-netwerkmodel beskryf. Voor die vrystelling van die eerste weergawe van 802.11 moes 'n lang 17 jaar wag.
Met die aanvaarding van die 1997-standaard in 802.11, twee jaar voor die ontstaan van die Wi-Fi-alliansie, het die eerste generasie van vandag se gewildste draadlose tegnologie die groot wêreld ingetree.
IEEE 802 Wi-Fi Generasies
802.11b het die eerste standaard geword wat werklik massief deur toerustingvervaardigers ondersteun is. Soos u kan sien, was die frekwensie van innovasies sedert die einde van die XNUMXste eeu redelik stabiel: kwalitatiewe veranderinge neem tyd. In onlangse jare is die hoofwerk gedoen om die fisiese omgewing van seinoordrag te verbeter. Om die moderne probleme van Wi-Fi beter te verstaan, kom ons gaan na die fisiese fondamente daarvan.
Kom ons onthou die basiese beginsels!
Radiogolwe is 'n spesiale geval van elektromagnetiese golwe - wat voortplant vanaf 'n bron van versteurings in die elektriese en magnetiese velde. Hulle word gekenmerk deur drie hoofparameters: die golfvektor, sowel as die vektore van die elektriese en magnetiese velde. Al drie is onderling loodreg op mekaar. In hierdie geval is dit gebruiklik om die frekwensie van 'n golf die aantal herhalende ossillasies te noem wat in 'n tydeenheid pas.
Al hierdie is bekende feite. Om die einde te bereik, moet ons egter van die begin af begin.
Op die voorwaardelike skaal van die frekwensiereekse van elektromagnetiese straling, beslaan die radioreeks die laagste (lae-frekwensie) deel. Dit sluit elektromagnetiese golwe in met 'n ossillasiefrekwensie van 3 Hz tot 3000 GHz. Alle ander bande, insluitend sigbare lig, het 'n baie hoër frekwensie.
Hoe hoër die frekwensie, hoe meer energie kan aan die radiogolf oorgedra word, maar terselfdertyd buig dit erger om hindernisse en verval dit vinniger. Die omgekeerde is ook waar. Met inagneming van hierdie kenmerke, is twee hooffrekwensiereekse vir Wi-Fi-werking gekies - 2,4 GHz (frekwensieband van 2,4000 tot 2,4835 GHz) en 5 GHz (frekwensiebande 5,170-5,330, 5,490-5,730 en 5,735-5,835).
Radiogolwe versprei in alle rigtings, en sodat boodskappe mekaar nie weens die interferensie-effek beïnvloed nie, is dit gebruiklik om die frekwensieband in aparte smal segmente te verdeel - kanale met een of ander . Die diagram hierbo toon dat aangrensende kanale 1 en 2 met 'n bandwydte van 20 MHz met mekaar sal inmeng, maar 1 en 6 nie.
Die sein binne die kanaal word deur 'n radiogolf teen 'n sekere drafrekwensie oorgedra. Om inligting oor te dra, kan golfparameters frekwensie, amplitude of fase.
Kanaalskeiding in Wi-Fi-frekwensiebande
Die 2,4 GHz-frekwensieband is verdeel in 14 gedeeltelik oorvleuelende kanale met optimale breedte - 20 MHz. Daar is een keer gedink dat dit genoeg was om 'n komplekse draadlose netwerk te organiseer. Dit het gou duidelik geword dat die kapasiteit van die band vinnig uitgeput is, daarom is die 5 GHz-band daarby gevoeg, waarvan die spektrale kapasiteit baie hoër is. Daarin is dit, benewens 20 MHz, moontlik om kanale met 'n breedte van 40 en 80 MHz toe te ken.
Om die doeltreffendheid van die gebruik van die radiofrekwensiespektrum verder te verhoog, word ortogonale frekwensiedeling-multipleksingstegnologie nou wyd gebruik ().
Dit impliseer die gebruik, saam met die drafrekwensie, van nog verskeie subdraerfrekwensies in dieselfde kanaal, wat dit moontlik maak om parallelle data-oordrag uit te voer. OFDM laat jou toe om verkeer op 'n redelik gerieflike "granulêre" manier te versprei, maar as gevolg van sy eerbiedwaardige ouderdom, behou dit 'n aantal beduidende nadele. Onder hulle is die beginsels van werking met behulp van die CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) netwerkprotokol, waarvolgens op sekere tye slegs een gebruiker op een draer en subdraer kan werk.
Ruimtelike vloei
'n Belangrike manier om die kapasiteit van 'n draadlose netwerk te verhoog, is om ruimtelike strome te gebruik.
Die toegangspunt dra verskeie radiomodules (een, twee of meer) wat aan 'n aantal antennas gekoppel is. Hierdie antennas straal volgens 'n sekere skema en modulasie, en ek en jy ontvang inligting wat oor 'n draadlose medium versend word. 'n Ruimtelike stroom kan tussen 'n spesifieke fisiese antenna (radiomodule) van die toegangspunt en die gebruikertoestel gevorm word. As gevolg hiervan vermeerder die totale hoeveelheid inligting wat vanaf die toegangspunt versend word met 'n veelvoud van die aantal strome (antennas).
Volgens huidige standaarde kan tot vier ruimtelike strome in die 2,4 GHz-band geïmplementeer word, tot agt in die 5 GHz-band.
Voorheen, toe ons in die 2,4- en 5 GHz-bande gewerk het, het ons net op die aantal radiomodules gefokus. Die teenwoordigheid van 'n tweede radiomodule het bykomende buigsaamheid gegee, aangesien dit ou intekenaartoestelle toegelaat het om teen 'n frekwensie van 2,4 GHz te werk, en nuwes teen 'n frekwensie van 5 GHz. Met die koms van die derde en daaropvolgende radiomodules het 'n paar probleme ontstaan. Die uitstralende elemente is geneig om interferensie met mekaar te skep, wat die koste van die toestel verhoog as gevolg van die behoefte aan beter ontwerp en om die toegangspunt met kompensasiefilters toe te rus. Dit het dus eers onlangs moontlik geword om 16 ruimtelike strome gelyktydig per toegangspunt te ondersteun.
Spoed prakties en teoreties
As gevolg van OFDM-meganismes kon ons nie die maksimum netwerkbandwydte kry nie. Teoretiese berekeninge vir die praktiese implementering van OFDM is baie lank gelede uitgevoer en slegs in verhouding tot ideale omgewings, waar 'n redelik hoë sein-tot-geraas-verhouding (SNR) en bitfoutwaarskynlikheid (BER) voorspelbaar verwag is. In vandag se toestande van sterk geraas van al die radiofrekwensiespektra wat vir ons van belang is, is die bandwydte-aanwysers van netwerke gebaseer op OFDM deprimerend klein. En die protokol het tot onlangs voortgegaan om hierdie tekortkominge te dra, totdat OFDMA (ortogonale frekwensie-verdeling meervoudige toegang) tegnologie tot die redding gekom het. Oor haar - 'n bietjie verder.
Kom ons praat oor antennas
Soos u weet, het elke antenna 'n wins, afhangende van die waarde waarvan 'n ruimtelike patroon van seinvoortplanting (bundelvorming) gevorm word met 'n sekere dekkingsarea (ons neem nie seinherreflektering in ag nie, ens.). Dit is waarop ontwerpers nog altyd staatgemaak het wanneer dit kom by presies waar toegangspunte geplaas moet word. Vir 'n lang tyd het die vorm van die patroon onveranderd gebly en net toegeneem of verminder in verhouding tot die eienskappe van die antenna.
Moderne antenna-elemente word meer beheerbaar en laat jou toe om die ruimtelike patroon van seinvoortplanting in reële tyd dinamies te verander.
Die linker figuur hierbo toon die beginsel van radiogolfvoortplanting deur gebruik te maak van 'n standaard alomrigtingantenna. Deur die seinsterkte te verhoog, kon ons slegs die dekkingsradius verander sonder die vermoë om die kwaliteit van kanaalgebruik aansienlik te beïnvloed - KQI (Key Quality Indicators). En hierdie aanwyser is uiters belangrik wanneer kommunikasie georganiseer word in toestande van gereelde beweging van die intekenaartoestel in 'n draadlose omgewing.
Die oplossing vir die probleem was die gebruik van 'n groot aantal klein antennas, waarvan die las in reële tyd aangepas kan word, wat voortplantingspatrone vorm afhangende van die ruimtelike posisie van die gebruiker.
Dit was dus moontlik om naby die gebruik van MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) tegnologie te kom. Met sy hulp genereer die toegangspunt te eniger tyd stralingsvloeie wat spesifiek op intekenaartoestelle gerig is.
Van fisika tot 802.11-standaarde
Soos Wi-Fi-standaarde ontwikkel het, het die beginsels van werk met die fisiese laag van die netwerk verander. Die gebruik van ander modulasiemeganismes het dit moontlik gemaak - begin met weergawes 802.11g / n - om baie meer inligting in die tydgleuf in te pas en dienooreenkomstig met 'n groot aantal gebruikers te werk. Dit is onder meer bereik deur die gebruik van ruimtelike strome. En die nuutgevonde buigsaamheid in terme van kanaalwydte het toegelaat dat meer hulpbronne vir MIMO gegenereer word.
Wi-Fi 7 sal volgende jaar goedgekeur word. Wat sal verander met die aankoms daarvan? Benewens die gewone toename in spoed en die toevoeging van die 6 GHz-band, sal dit moontlik wees om met wye saamgevoegde kanale te werk, soos 320 MHz. Dit is veral interessant in die konteks van industriële toepassings.
Wi-Fi 6 Teoretiese bandwydte
Die teoretiese formule vir die berekening van die nominale spoed van Wi-Fi 6 is redelik ingewikkeld en hang af van baie parameters, wat begin met die aantal ruimtelike strome en eindig met die inligting wat ons in 'n subdraer (of subdraers, as daar verskeie is) kan plaas. per tydseenheid.
Soos u kan sien, hang baie van ruimtelike vloei af. Maar voorheen het 'n toename in hul aantal in kombinasie met die gebruik van STC (Space-Time Coding) en MRC (Maksimum Ratio Combining) die werkverrigting van die draadlose oplossing as geheel vererger.
Nuwe Sleutel Fisiese Laag Tegnologieë
Kom ons gaan aan na die sleuteltegnologieë van die fisiese laag - en begin met die eerste laag van die OSI-netwerkmodel.
Onthou dat OFDM 'n sekere aantal subdraers gebruik wat, sonder om mekaar te beïnvloed, in staat is om 'n sekere hoeveelheid inligting oor te dra.
In die voorbeeld gebruik ons die 5,220 GHz-band, wat 48 sub-kanale het. Deur hierdie kanaal saam te voeg, kry ons 'n groter aantal subdraers, wat elkeen sy eie modulasieskema gebruik.
Wi-Fi 5 gebruik kwadratuurmodulasie 256 QAM (Kwadratuuramplitudemodulasie), wat jou toelaat om binne die drafrekwensie in een tydgleuf 'n veld van 16 x 16 punte te vorm wat verskil in amplitude en fase. Die nadeel is dat slegs een stasie op enige tyd op die drafrekwensie kan uitsaai.
Ortogonale frekwensiedeling-multipleksing (OFDMA) het uit die wêreld van selfoonoperateurs gekom, gelyktydig met LTE versprei en word gebruik om 'n afskakel (kommunikasiekanaal na die intekenaar) te organiseer. Dit laat jou toe om met die kanaal te werk op die vlak van sogenaamde hulpbroneenhede. Hierdie eenhede help om die blok in 'n sekere aantal komponente op te breek. Binne die raamwerk van die blok kan ons nie op elke oomblik streng met een uitstralende element (gebruiker of toegangspunt) werk nie, maar dosyne elemente kombineer. Dit laat jou toe om merkwaardige resultate te behaal.
Maklike koppel van kanale in Wi-Fi 6
Kanaalbinding in Wi-Fi 6 laat jou toe om gekombineerde kanale te kry met 'n breedte van 20 tot 160 MHz. Boonop hoef die verbinding nie in nabygeleë reekse gemaak te word nie. Byvoorbeeld, een blok kan van die 5,17 GHz-band geneem word, en die tweede van die 5,135 GHz-band. Dit laat jou toe om buigsaam 'n radio-omgewing te bou, selfs in die teenwoordigheid van sterk steuringsfaktore of in die nabyheid van ander stasies wat voortdurend uitstuur.
Van SIMO na MIMO
Die MIMO-metode was nie altyd by ons nie. Eens op 'n tyd moes mobiele kommunikasie tot die SIMO-modus beperk word, wat beteken het dat die intekenaarstasie verskeie antennas gehad het wat gelyktydig gewerk het om inligting te ontvang.
MU-MIMO is ontwerp om inligting aan gebruikers oor te dra deur die hele huidige antennafonds te gebruik. Dit verwyder die beperkings wat voorheen opgelê is deur die CSMA / CA-protokol wat verband hou met die stuur van tekens na intekenaartoestelle vir oordrag. Nou word gebruikers in 'n groep verenig en elke lid van die groep ontvang hul deel van die hulpbron van die antennafonds van die toegangspunt, en wag nie in die ry nie.
Straalvorming
'n Belangrike werkingsreël van MU-MIMO is om so 'n werkswyse van die antennafonds te handhaaf, wat nie tot wedersydse oorvleueling van radiogolwe en verlies aan inligting as gevolg van fasetoevoeging sal lei nie.
Dit vereis komplekse wiskundige berekeninge aan die kant van die toegangspunt. As die terminale hierdie kenmerk ondersteun, laat MU-MIMO dit toe om die toegangspunt te vertel hoeveel vertraging dit 'n sein op elke spesifieke antenna ontvang. En die toegangspunt pas op sy beurt sy antennas aan om 'n optimaal gerigte straal te vorm.
Wat gee dit ons in die algemeen?
Wit sirkels met nommers in die tabel dui huidige scenario's aan vir die gebruik van vorige generasies Wi-Fi. Die blou sirkels (sien die illustrasie hierbo) beskryf die vermoëns van Wi-Fi 6, en die grys sirkels is 'n kwessie van die nabye toekoms.
Die belangrikste voordele wat nuwe oplossings met OFDMA-ondersteuning bring, word geassosieer met hulpbroneenhede wat op 'n vlak soortgelyk aan TDM (Time Division Multiplexing) geïmplementeer is. Dit was nie voorheen die geval met Wi-Fi nie. Dit laat jou toe om die toegewese band duidelik te beheer, wat die minimum seinvervoertyd deur die medium en die vereiste vlak van betroubaarheid verseker. Gelukkig twyfel niemand daaraan dat Wi-Fi-betroubaarheidsaanwysers verbeter moet word nie.
Die geskiedenis beweeg in 'n spiraal, en die huidige situasie is soortgelyk aan die een wat op 'n tyd rondom Ethernet ontwikkel het. Selfs toe is die mening vasgestel dat die CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) transmissiemedium geen gewaarborgde deurset verskaf nie. En so het dit aangehou tot die oorgang na IEEE 802.3z.
Soos vir die algemene toepassingsmodelle, soos u kan sien, met elke generasie van Wi-Fi, word scenario's vir die gebruik daarvan vermenigvuldig, meer en meer sensitief vir vertragings, algemeen en betroubaarheid.
En weer oor die fisiese omgewing
Wel, nou oor hoe 'n nuwe fisiese omgewing gevorm word. By die gebruik van CSMA / CA en OFDM het die toename in die aantal aktiewe punte (Active STA) daartoe gelei dat die deurset van die 20 MHz-kanaal ernstig gedaal het. Dit was as gevolg van wat reeds genoem is: met nie die nuutste tegnologieë STC (Space-Time Coding) en MRC (Maksimum Ratio Combining) nie.
OFDMA as gevolg van die gebruik van hulpbron-eenhede kan effektief interaksie met ver en lae-kragstasies. Ons kry die geleentheid om in dieselfde draerreeks te werk met gebruikers wat verskillende hoeveelhede hulpbronne verbruik. Een gebruiker kan een eenheid beset, en 'n ander kan al die ander beset.
Hoekom was daar geen OFDMA voorheen nie?
En laastens, die hoofvraag: hoekom was daar voorheen geen OFDMA nie? Vreemd genoeg het dit alles neergekom op geld.
Vir 'n lang tyd is geglo dat die prys van 'n Wi-Fi-module minimaal moet wees. Toe die protokol in 1997 in kommersiële bedryf van stapel gestuur is, is besluit dat die produksiekoste van so 'n module nie $1 mag oorskry nie. Gevolglik het die ontwikkeling van tegnologie 'n suboptimale pad geloop. Hier neem ons nie die draer LTE in ag nie, waar OFDMA al lankal gebruik word.
Op die ou end het die Wi-Fi-werkgroep besluit om hierdie ontwikkelings uit die wêreld van telekommunikasie-operateurs te neem en na die wêreld van ondernemingsnetwerke oor te dra. Die hooftaak was die oorgang na die gebruik van elemente van hoër gehalte, soos filters en ossillators.
Hoekom was dit so moeilik vir ons om met of sonder inmenging in die ou MRC-enkoderings te werk? Omdat die MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) balkvormmeganisme die aantal foute dramaties verhoog het sodra ons probeer het om 'n groot aantal oordragpunte in lyn te bring. OFDMA het bewys dat die probleem oplosbaar is.
Die stryd teen inmenging is nou gebaseer op wiskunde. As die kommunikasievenster lank genoeg is, lei die gevolglike dinamiese inmenging tot probleme. Nuwe operasie-algoritmes laat jou toe om weg te kom van hulle, uitgesluit die invloed van nie net die inmenging wat verband hou met die oordrag van Wi-Fi nie, maar ook enige ander wat in hierdie reeks voorkom.
Danksy aanpasbare interferensie-onderdrukking kan ons tot 11 dB-wins verkry selfs in 'n komplekse heterogene omgewing. Die gebruik van Huawei se eie algoritmiese oplossings het dit moontlik gemaak om ernstige optimalisering te bereik presies waar nodig – in binnenshuise oplossings. Wat goed is in 5G, is nie noodwendig goed in 'n Wi-Fi 6-omgewing nie. Massiewe MIMO- en MU-MIMO-benaderings verskil tussen binne- en buite-oplossings. Waar nodig, is dit gepas om duur oplossings te gebruik, soos in 5G. Maar ander opsies is ook nodig, soos Wi-Fi 6, wat die vertraging en werkverrigting kan lewer wat ons van diensverskaffers verwag het.
Ons leen by hulle die gereedskap wat vir ons as korporatiewe verbruikers nuttig sal wees, alles om 'n fisiese omgewing te bied waarop staatgemaak kan word.
***
Terloops, moenie vergeet van ons talle webinars oor Huawei 2020 nuwighede nie, nie net in die Russiessprekende segment nie, maar ook op wêreldvlak. 'n Lys van webinars vir die komende weke is beskikbaar by .
Bron: will.com