في الآونة الأخيرة، دخلت السوق مؤخرًا الأجهزة التي تدعم تقنية Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax)، والتي يتم الحديث عنها كثيرًا. لكن قلة من الناس يعرفون أن هناك بالفعل تطوير لجيل جديد من تقنية Wi-Fi - Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). اكتشف كيف سيكون شكل Wi-Fi 7 في هذه المقالة.
قبل التاريخ
في سبتمبر 2020، سنحتفل بالذكرى الثلاثين لمشروع IEEE 30، الذي أثر بشكل كبير على حياتنا. حاليًا، تعد تقنية Wi-Fi، التي تحددها مجموعة معايير IEEE 802.11، أكثر التقنيات اللاسلكية شيوعًا المستخدمة للاتصال بالإنترنت، حيث تحمل شبكة Wi-Fi أكثر من نصف حركة مرور المستخدم. في حين أن التكنولوجيا الخلوية تعيد تسمية نفسها كل عقد، مثل استبدال اسم 802.11G بـ 4G، بالنسبة لمستخدمي Wi-Fi، فإن التحسينات في سرعات البيانات، بالإضافة إلى تقديم خدمات وميزات جديدة، تحدث دون أن يلاحظها أحد تقريبًا. قليل من العملاء يهتمون بالأحرف "n" أو "ac" أو "ax" التي تتبع "5" الموجودة على صناديق المعدات. لكن هذا لا يعني أن شبكة Wi-Fi لا تتطور.
أحد الأدلة على تطور شبكة Wi-Fi هو الزيادة الهائلة في سرعات البيانات المقدرة: من 2 ميجابت في الثانية في إصدار 1997 إلى ما يقرب من 10 جيجابت في الثانية في أحدث معيار 802.11ax، المعروف أيضًا باسم Wi-Fi 6. تصل شبكة Wi-Fi الحديثة إلى هذا الحد مكاسب الأداء بسبب تصميمات الإشارات والرموز الأسرع والقنوات الأوسع واستخدام التكنولوجيا .
بالإضافة إلى انتشار الشبكات المحلية اللاسلكية عالية السرعة، يشمل تطور شبكة Wi-Fi العديد من المشاريع المتخصصة. على سبيل المثال، كانت Wi-Fi HaLow (802.11ah) محاولة لجلب Wi-Fi إلى سوق إنترنت الأشياء اللاسلكي. تدعم شبكة Wi-Fi ذات الموجة المليمترية (802.11ad/ay) معدلات بيانات اسمية تصل إلى 275 جيجابت في الثانية، وإن كان ذلك عبر مسافات قصيرة جدًا.
تتطلب التطبيقات والخدمات الجديدة المتعلقة ببث الفيديو عالي الوضوح والواقع الافتراضي والمعزز والألعاب والمكاتب البعيدة والحوسبة السحابية، بالإضافة إلى الحاجة إلى دعم أعداد كبيرة من المستخدمين بحركة مرور مكثفة على الشبكات اللاسلكية، أداءً عاليًا.
واي فاي 7 أهداف
في مايو 2019، بدأت المجموعة الفرعية BE (TGbe) التابعة لمجموعة عمل 802.11 التابعة للجنة معايير الشبكات المحلية والحضرية العمل على إضافة جديدة لمعيار Wi-Fi من شأنها زيادة الإنتاجية الاسمية تصل إلى أكثر من 40 جيجابت / ثانية في قناة تردد واحدة من نطاق Wi-Fi "النموذجي" <= 7 جيجا هرتز. على الرغم من أن العديد من المستندات تدرج "أقصى إنتاجية لا تقل عن 30 جيجابت في الثانية"، فإن بروتوكول الطبقة المادية الجديد سيوفر سرعات اسمية تزيد عن 40 جيجابت في الثانية.
اتجاه تطوير مهم آخر لـ Wi-Fi 7 هو دعم للتطبيقات في الوقت الحقيقي (الألعاب، الواقع الافتراضي والمعزز، التحكم بالروبوت). من الجدير بالذكر أنه على الرغم من أن شبكة Wi-Fi تتعامل مع حركة مرور الصوت والفيديو بطريقة خاصة، إلا أنه يُعتقد منذ فترة طويلة أن توفير زمن وصول منخفض مضمون على المستوى القياسي (ملي ثانية)، والمعروف أيضًا باسم الشبكات الحساسة للوقت، في شبكات Wi-Fi هو أمر أساسي مستحيل. في نوفمبر 2017، قدم فريقنا من IITP RAS والمدرسة العليا للاقتصاد بجامعة الأبحاث الوطنية (لا تأخذ الأمر على أنه علاقات عامة) اقتراحًا مماثلاً في مجموعة IEEE 802.11. وقد أثار هذا الاقتراح الكثير من الاهتمام وتم إطلاق مجموعة فرعية خاصة في يوليو 2018 لدراسة هذه القضية بشكل أكبر. نظرًا لأن دعم التطبيقات في الوقت الفعلي يتطلب معدلات بيانات اسمية عالية ووظائف طبقة الارتباط المحسنة، فقد قررت مجموعة عمل 802.11 تطوير طرق لدعم التطبيقات في الوقت الفعلي ضمن Wi-Fi 7.
إحدى المشكلات المهمة في Wi-Fi 7 هي تعايشها مع تقنيات الشبكات الخلوية (4G/5G) التي يتم تطويرها بواسطة 3GPP وتعمل في نفس نطاقات التردد غير المرخصة. نحن نتحدث عن LTE-LAA/NR-U. لدراسة المشاكل المرتبطة بالتعايش بين شبكات Wi-Fi والشبكات الخلوية، أطلق IEEE 802.11 اللجنة الدائمة للتعايش (Coex SC). على الرغم من الاجتماعات العديدة وحتى ورشة العمل المشتركة للمشاركين في 3GPP وIEEE 802.11 في يوليو 2019 في فيينا، لم تتم الموافقة على الحلول التقنية بعد. أحد التفسيرات المحتملة لهذا العبث هو أن كلا من IEEE 802 و3GPP يترددان في تغيير تقنياتهما الخاصة لتتوافق مع الأخرى. هكذا، من غير الواضح حاليًا ما إذا كانت مناقشات Coex SC ستؤثر على معيار Wi-Fi 7.
عمليات التطوير
على الرغم من أن عملية تطوير Wi-Fi 7 لا تزال في مراحلها الأولى، إلا أنه كان هناك ما يقرب من 500 مقترح لوظائف جديدة لشبكة Wi-Fi 7 القادمة، والمعروفة أيضًا باسم IEEE 802.11be، حتى الآن. تتم مناقشة معظم الأفكار للتو في المجموعة الفرعية ولم يتم اتخاذ قرار بشأنها بعد. وقد تمت الموافقة مؤخرا على أفكار أخرى. سيتم الإشارة أدناه بوضوح إلى المقترحات التي تمت الموافقة عليها والتي تتم مناقشتها فقط.
كان من المخطط في الأصل أن يتم الانتهاء من تطوير الآليات الجديدة الرئيسية بحلول مارس 2021. ومن المتوقع أن يتم إصدار النسخة النهائية من المعيار بحلول أوائل عام 2024. في يناير 2020، أثارت 11be مخاوف بشأن ما إذا كان التطوير سيظل في الموعد المحدد بوتيرة العمل الحالية. لتسريع عملية تطوير المعايير، وافقت المجموعة الفرعية على اختيار مجموعة صغيرة من الميزات ذات الأولوية العالية التي يمكن إصدارها بحلول عام 2021 (الإصدار 1)، وترك الباقي في الإصدار 2. يجب أن توفر الميزات ذات الأولوية العالية مكاسب الأداء الرئيسية ويتضمن دعمًا لـ 320 ميجاهرتز و4K-QAM وتحسينات واضحة لـ OFDMA من Wi-Fi 6 وMU-MIMO مع 16 تدفقًا.
بسبب فيروس كورونا، لا تجتمع المجموعة حاليًا شخصيًا، ولكنها تعقد مؤتمرات عبر الهاتف بانتظام. وهكذا تباطأ التطور إلى حد ما، لكنه لم يتوقف.
تفاصيل التكنولوجيا
دعونا نلقي نظرة على الابتكارات الرئيسية لشبكة Wi-Fi 7.
- يعد بروتوكول الطبقة المادية الجديد بمثابة تطوير لبروتوكول Wi-Fi 6 مع زيادة مضاعفة عرض النطاق الترددي يصل إلى 320 ميجا هرتز، وهو ضعف عدد تدفقات MU-MIMO المكانية، مما يزيد من الإنتاجية الاسمية بمقدار 2 × 2 = 4 مرات. يبدأ Wi-Fi 7 أيضًا في استخدام التعديل 4K-QAM، مما يضيف 20% أخرى إلى الإنتاجية الاسمية. لذلك، ستوفر Wi-Fi 7 2x2x1,2 = 4,8 أضعاف معدل البيانات المقدر لـ Wi-Fi 6: الحد الأقصى للإنتاجية المقدرة لـ Wi-Fi 7 هو 9,6 جيجابت في الثانية × 4,8 = 46 جيجابت/ثانية. بالإضافة إلى ذلك، سيكون هناك تغيير ثوري في بروتوكول الطبقة المادية لضمان التوافق مع الإصدارات المستقبلية من شبكة Wi-Fi، لكنه سيبقى غير مرئي للمستخدمين.
- تغيير طريقة الوصول إلى القناة لـ دعم التطبيقات في الوقت الحقيقي سيتم تنفيذها مع الأخذ بعين الاعتبار تجربة IEEE 802 TSN للشبكات السلكية. تتعلق المناقشات الجارية في لجنة المعايير بإجراء التراجع العشوائي للوصول إلى القناة، وفئات خدمة المرور، وبالتالي قوائم الانتظار المنفصلة لحركة المرور في الوقت الفعلي، وسياسات خدمة الحزمة.
- تم تقديمه في Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA - طريقة الوصول إلى القنوات بتقسيم الوقت والتردد (مماثلة لتلك المستخدمة في شبكات 4G و5G) - توفر فرصًا جديدة للتخصيص الأمثل للموارد. ومع ذلك، في 11ax، OFDMA ليس مرنًا بدرجة كافية. أولاً، يسمح لنقطة الوصول بتخصيص كتلة موارد واحدة فقط بحجم محدد مسبقًا لجهاز العميل. ثانياً: لا يدعم النقل المباشر بين محطات العملاء. كلا العيبين يقللان من الكفاءة الطيفية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي الافتقار إلى مرونة شبكة Wi-Fi 6 OFDMA القديمة إلى انخفاض الأداء في الشبكات الكثيفة وزيادة زمن الوصول، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات في الوقت الفعلي. 11be سوف يحل مشاكل OFDMA هذه.
- أحد التغييرات الثورية المؤكدة لشبكة Wi-Fi 7 هو الدعم الأصلي الاستخدام المتزامن لعدة اتصالات متوازية على ترددات مختلفة، وهو مفيد جدًا لكل من معدلات البيانات الضخمة وزمن الوصول المنخفض للغاية. على الرغم من أن الشرائح الحديثة يمكنها بالفعل استخدام اتصالات متعددة في وقت واحد، على سبيل المثال، في نطاقي 2.4 و5 جيجا هرتز، إلا أن هذه الاتصالات مستقلة، مما يحد من فعالية مثل هذه العملية. في 11be، سيتم العثور على مستوى من التزامن بين القنوات يسمح بالاستخدام الفعال لموارد القناة وسوف يستلزم تغييرات كبيرة في قواعد بروتوكول الوصول إلى القناة.
- ويؤدي استخدام قنوات واسعة للغاية وعدد كبير من التدفقات المكانية إلى مشكلة الحمل العالي المرتبط بإجراء تقدير حالة القناة المطلوبة لـ MIMO وOFDMA. ويلغي هذا الحمل أي مكاسب من زيادة معدلات البيانات الاسمية. توقعت ذلك ستتم مراجعة إجراء تقييم حالة القناة.
- وفي سياق Wi-Fi 7، تناقش لجنة المعايير استخدام بعض طرق نقل البيانات "المتقدمة". ومن الناحية النظرية، تعمل هذه الطرق على تحسين الكفاءة الطيفية في حالة محاولات الإرسال المتكررة، وكذلك الإرسال المتزامن في نفس الاتجاه أو الاتجاهين المعاكسين. نحن نتحدث عن طلب التكرار التلقائي الهجين (HARQ)، المستخدم حاليًا في الشبكات الخلوية، ووضع الإرسال المزدوج الكامل والوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA). وقد تمت دراسة هذه التقنيات جيدًا في الأدبيات من الناحية النظرية، ولكن ليس من الواضح بعد ما إذا كانت مكاسب الإنتاجية التي توفرها تستحق الجهد المبذول لتنفيذها.
- استخدام حرق معقدة بسبب المشكلة التالية. في شبكة Wi-Fi، يتم لصق الحزم معًا لتقليل الحمل. في الإصدارات الحالية من شبكة Wi-Fi، يتم تأكيد تسليم كل حزمة داخل الحزمة الملصقة، وإذا لم يأتي التأكيد، يتم تكرار إرسال الحزمة باستخدام طرق بروتوكول الوصول إلى القناة. يقوم HARQ بنقل عمليات إعادة المحاولة من رابط البيانات إلى الطبقة المادية، حيث لا يوجد المزيد من الحزم، ولكن كلمات التشفير فقط، ولا تتطابق حدود كلمات التشفير مع حدود الحزم. يؤدي إلغاء المزامنة هذا إلى تعقيد تنفيذ HARQ في شبكة Wi-Fi.
- مع الاحترام ل كامل دوبلكس، فلا يمكن حاليًا في الشبكات الخلوية ولا في شبكات Wi-Fi نقل البيانات في نفس الوقت في نفس قناة التردد من وإلى نقطة الوصول (المحطة الأساسية). من الناحية الفنية، يرجع ذلك إلى الاختلاف الكبير في قوة الإشارة المرسلة والمستقبلة. على الرغم من وجود نماذج أولية تجمع بين الطرح الرقمي والتناظري للإشارة المرسلة من الإشارة المستقبلة، قادرة على استقبال إشارة Wi-Fi أثناء إرسالها، إلا أن الكسب الذي يمكن أن توفره في الممارسة العملية قد يكون ضئيلًا نظرًا لحقيقة أنه في أي وقت معين المصب لا يساوي الصاعد (في المتوسط \uXNUMXb\uXNUMXb"في المستشفى" يكون الهبوط أكبر بكثير). وعلاوة على ذلك، فإن مثل هذا الإرسال في الاتجاهين سوف يعقد البروتوكول بشكل كبير.
- في حين أن إرسال تدفقات متعددة باستخدام MIMO يتطلب هوائيات متعددة للمرسل والمستلم، مع الوصول غير المتعامد، يمكن لنقطة الوصول نقل البيانات في وقت واحد إلى اثنين من المستلمين من هوائي واحد. يتم تضمين خيارات الوصول غير المتعامدة المختلفة في أحدث مواصفات 5G. النموذج المبدئي نوما تم إنشاء شبكة Wi-Fi لأول مرة في عام 2018 في IITP RAS (مرة أخرى، لا تعتبرها علاقات عامة). لقد أظهر زيادة في الأداء بنسبة 30-40٪. ميزة التكنولوجيا المتقدمة هي توافقها مع الإصدارات السابقة: قد يكون أحد المستلمين جهازًا قديمًا لا يدعم Wi-Fi 7. بشكل عام، مشكلة التوافق مع الإصدارات السابقة مهمة جدًا، حيث يمكن لأجهزة من أجيال مختلفة أن تعمل في وقت واحد على شبكة واي فاي. حاليًا، تقوم عدة فرق حول العالم بتحليل فعالية الاستخدام المشترك لـ NOMA وMU-MIMO، والتي ستحدد نتائجها مصير هذا النهج في المستقبل. نحن نواصل أيضًا العمل على النموذج الأولي: سيتم تقديم نسخته التالية في مؤتمر IEEE INFOCOM في يوليو 2020.
- وأخيرًا، هناك ابتكار مهم آخر، لكن مصيره غير واضح التشغيل المنسق لنقاط الوصول. على الرغم من أن العديد من البائعين لديهم وحدات تحكم مركزية خاصة بهم لشبكات Wi-Fi للمؤسسات، إلا أن قدرات وحدات التحكم هذه كانت مقتصرة بشكل عام على تكوين المعلمات واختيار القناة على المدى الطويل. تناقش لجنة المعايير التعاون الوثيق بين نقاط الوصول المتجاورة، والذي يتضمن جدولة الإرسال المنسقة، وتشكيل الحزم، وحتى أنظمة MIMO الموزعة. تستخدم بعض الأساليب قيد النظر إلغاء التداخل المتسلسل (تقريبًا كما هو الحال في NOMA). على الرغم من عدم تطوير طرق التنسيق 11be بعد، فليس هناك شك في أن المعيار سيسمح لنقاط الوصول من مختلف الشركات المصنعة بتنسيق جداول الإرسال مع بعضها البعض لتقليل التداخل المتبادل. سيكون تنفيذ الأساليب الأخرى الأكثر تعقيدًا (مثل MU-MIMO الموزعة) أكثر صعوبة في التنفيذ في المعيار، على الرغم من أن بعض أعضاء المجموعة مصممون على القيام بذلك ضمن الإصدار 2. وبغض النظر عن النتيجة، فإن مصير طرق تنسيق نقطة الوصول غير واضح. وحتى لو تم تضمينها في المعيار، فقد لا تصل إلى السوق. حدث شيء مماثل من قبل عند محاولة ترتيب عمليات إرسال Wi-Fi باستخدام حلول مثل HCCA (11e) وHCCA TXOP Negotiation (11be).
باختصار، يبدو أن معظم المقترحات المرتبطة بالمجموعات الخمس الأولى ستصبح جزءًا من Wi-Fi 7، بينما تتطلب المقترحات المرتبطة بالمجموعتين الأخيرتين أبحاثًا إضافية كبيرة لإثبات فعاليتها.
مزيد من التفاصيل الفنية
يمكن قراءة التفاصيل الفنية حول Wi-Fi 7 (باللغة الإنجليزية)
المصدر: www.habr.com