في تطوراتها ، تعتمد Huawei على Wi-Fi 6. ودفعتنا أسئلة الزملاء والعملاء حول الجيل الجديد من المعيار إلى كتابة منشور حول الأسس النظرية والمبادئ المادية المضمنة فيه. دعنا ننتقل من التاريخ إلى الفيزياء ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على سبب الحاجة إلى تقنيات OFDMA و MU-MIMO. دعنا نتحدث أيضًا عن الكيفية التي أتاح بها وسيط نقل البيانات المادية المعاد تصميمه بشكل أساسي تحقيق إنتاجية مضمونة للقناة ، ومثل هذا الانخفاض في المستوى الإجمالي للتأخيرات التي أصبحت قابلة للمقارنة مع "المشغل". وهذا على الرغم من حقيقة أن الشبكات الحديثة القائمة على 5G أغلى (في المتوسط 20-30 مرة) من الشبكات الداخلية المماثلة على Wi-Fi 6.
بالنسبة إلى Huawei ، الموضوع ليس خاملًا بأي حال من الأحوال: حلول Wi-Fi 6 هي من بين أكثر منتجاتنا تقدمًا في عام 2020 ، حيث تم استثمار موارد ضخمة. لإعطاء مثال واحد فقط ، سمحت لنا الأبحاث في مجال علم المواد بالعثور على سبيكة يزيد استخدامها في العناصر الراديوية لنقطة الوصول من نسبة الإشارة إلى الضوضاء بمقدار 2-3 ديسيبل: نخلع قبعاتنا فيما يتعلق إلى Doron Ezri (Doron Ezri) على هذا الإنجاز.
القليل من التاريخ
من المنطقي حساب تاريخ شبكة Wi-Fi منذ عام 1971 ، عندما قام البروفيسور نورمان أبرامسون ومجموعة من الزملاء في جامعة هاواي بتطوير وبناء وإطلاق شبكة حزم البيانات اللاسلكية ALOHAnet.
في عام 1980 ، تمت الموافقة على مجموعة من المعايير والبروتوكولات IEEE 802 ، التي تصف تنظيم الطبقتين السفليتين لنموذج شبكة OSI المكون من سبع طبقات. قبل إصدار الإصدار الأول من 802.11 كان عليه الانتظار 17 عامًا طويلًا.
مع اعتماد معيار 1997 في عام 802.11 ، قبل عامين من ظهور Wi-Fi Alliance ، دخل الجيل الأول من التكنولوجيا اللاسلكية الأكثر شعبية اليوم إلى العالم الكبير.
IEEE 802 Wi-Fi Generations
أصبح 802.11b أول معيار يتم دعمه بشكل كبير من قبل الشركات المصنعة للمعدات. كما ترون ، كان تواتر الابتكارات منذ نهاية القرن العشرين مستقرًا إلى حد ما: التغييرات النوعية تستغرق وقتًا. في السنوات الأخيرة ، تم تنفيذ العمل الرئيسي لتحسين البيئة المادية لنقل الإشارات. من أجل فهم المشاكل الحديثة لشبكة Wi-Fi بشكل أفضل ، دعنا ننتقل إلى أسسها المادية.
دعونا نتذكر الأساسيات!
تعتبر موجات الراديو حالة خاصة من الموجات الكهرومغناطيسية - تنتشر من مصدر اضطرابات في المجالين الكهربائي والمغناطيسي. تتميز بثلاث معلمات رئيسية: متجه الموجة ، وكذلك نواقل المجالين الكهربائي والمغناطيسي. الثلاثة كلها متعامدة بشكل متبادل مع بعضها البعض. في هذه الحالة ، من المعتاد استدعاء تردد الموجة بعدد التذبذبات المتكررة التي تتناسب مع وحدة زمنية.
كل هذه حقائق معروفة. ومع ذلك ، من أجل الوصول إلى النهاية ، يجب أن نبدأ من البداية.
على المقياس الشرطي لنطاقات التردد للإشعاع الكهرومغناطيسي ، يحتل النطاق الراديوي أدنى جزء (تردد منخفض). يتضمن موجات كهرومغناطيسية بتردد تذبذب من 3 هرتز إلى 3000 جيجاهرتز. جميع النطاقات الأخرى ، بما في ذلك الضوء المرئي ، لها تردد أعلى بكثير.
كلما زاد التردد ، يمكن نقل المزيد من الطاقة إلى الموجة الراديوية ، ومع ذلك ، في نفس الوقت ، فإنها تنحني حول العوائق بشكل أسوأ وتتلاشى بشكل أسرع. والعكس صحيح أيضا. مع الأخذ في الاعتبار هذه الميزات ، تم اختيار نطاقي تردد رئيسيين لتشغيل Wi-Fi - 2,4 جيجاهرتز (نطاق تردد من 2,4000 إلى 2,4835 جيجاهرتز) و 5 جيجاهرتز (نطاقات التردد 5,170-5,330 و 5,490-5,730 و 5,735-5,835 جيجاهرتز).
تنتشر موجات الراديو في جميع الاتجاهات ، ولكي لا تؤثر الرسائل على بعضها البعض بسبب تأثير التداخل ، من المعتاد تقسيم نطاق التردد إلى مقاطع ضيقة منفصلة - قنوات مع واحدة أو أخرى . يوضح الرسم البياني أعلاه أن القناتين المتجاورتين 1 و 2 بعرض نطاق 20 ميجاهرتز سوف تتداخل مع بعضها البعض ، لكن 1 و 6 لن تتداخل.
تنتقل الإشارة داخل القناة باستخدام موجة راديوية على تردد ناقل معين. لنقل المعلومات ، يمكن لمعلمات الموجة التردد أو السعة أو الطور.
فصل القنوات في نطاقات تردد Wi-Fi
نطاق التردد 2,4 جيجا هرتز مقسم إلى 14 قناة متداخلة جزئيًا بالعرض الأمثل - 20 ميجا هرتز. كان يعتقد ذات مرة أن هذا كان كافياً لتنظيم شبكة لاسلكية معقدة. سرعان ما أصبح واضحًا أن سعة النطاق استنفدت بسرعة ، لذلك تمت إضافة النطاق 5 جيجاهرتز إليه ، وكانت السعة الطيفية له أعلى من ذلك بكثير. في ذلك ، بالإضافة إلى 20 ميجاهرتز ، من الممكن تخصيص قنوات بعرض 40 و 80 ميجاهرتز.
لزيادة كفاءة استخدام طيف الترددات الراديوية ، تُستخدم الآن تقنية مضاعفة تقسيم التردد المتعامد على نطاق واسع ().
إنه يعني استخدام ، إلى جانب تردد الموجة الحاملة ، عدة ترددات حاملة فرعية أخرى في نفس القناة ، مما يجعل من الممكن إجراء نقل بيانات متوازي. يسمح لك OFDM بتوزيع حركة المرور بطريقة "حبيبية" مريحة إلى حد ما ، ولكن نظرًا لعصره الجليل ، فإنه يحتفظ بعدد من العيوب المهمة. من بينها مبادئ التشغيل باستخدام بروتوكول الشبكة CSMA / CA (الوصول المتعدد بحساس الناقل مع تجنب الاصطدام) ، والذي بموجبه يمكن لمستخدم واحد فقط في أوقات معينة العمل على ناقل وحامل فرعي واحد.
التدفقات المكانية
من الطرق المهمة لزيادة سعة الشبكة اللاسلكية استخدام التدفقات المكانية.
تحمل نقطة الوصول عدة وحدات راديو (واحدة أو اثنتان أو أكثر) متصلة بعدد من الهوائيات. تشع هذه الهوائيات وفقًا لمخطط وتشكيل معين ، وتتلقى أنت وأنا المعلومات المرسلة عبر وسيط لاسلكي. يمكن تكوين تيار مكاني بين هوائي مادي معين (وحدة راديو) لنقطة الوصول وجهاز المستخدم. نتيجة لذلك ، يزداد المبلغ الإجمالي للمعلومات المنقولة من نقطة الوصول بمضاعفات عدد التدفقات (الهوائيات).
وفقًا للمعايير الحالية ، يمكن تنفيذ ما يصل إلى أربعة تدفقات مكانية في النطاق 2,4 جيجا هرتز ، حتى ثمانية في النطاق 5 جيجا هرتز.
في السابق ، عند العمل في النطاقين 2,4 و 5 جيجاهرتز ، ركزنا فقط على عدد وحدات الراديو. أعطى وجود وحدة راديو ثانية مرونة إضافية ، حيث سمح لأجهزة المشتركين القديمة بالعمل على تردد 2,4 جيجا هرتز ، وأخرى جديدة بتردد 5 جيجا هرتز. مع ظهور وحدات الراديو الثالثة واللاحقة ، نشأت بعض المشاكل. تميل العناصر المشعة إلى إحداث تداخل مع بعضها البعض ، مما يزيد من تكلفة الجهاز بسبب الحاجة إلى تصميم أفضل وتجهيز نقطة الوصول بمرشحات تعويض. لذلك أصبح من الممكن مؤخرًا فقط دعم 16 تدفقات مكانية في وقت واحد لكل نقطة وصول.
السرعة العملية والنظرية
بسبب آليات OFDM ، لم نتمكن من الحصول على الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي للشبكة. أجريت الحسابات النظرية للتنفيذ العملي لتعدد الإرسال بتقسيم تعامدي للتردد (OFDM) منذ وقت طويل جدًا وفقط فيما يتعلق بالبيئات المثالية ، حيث كان من المتوقع توقع نسبة عالية إلى حد ما من الإشارة إلى الضوضاء (SNR) واحتمال خطأ البتات (BER). في ظروف الضوضاء القوية لجميع أطياف التردد الراديوي التي تهمنا اليوم ، فإن مؤشرات النطاق الترددي للشبكات القائمة على OFDM صغيرة بشكل محبط. واستمر البروتوكول حتى وقت قريب في تحمل هذه العيوب ، حتى جاءت تقنية OFDMA (الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد) إلى الإنقاذ. عنها - أبعد قليلا.
دعنا نتحدث عن الهوائيات
كما تعلم ، كل هوائي له ربح ، اعتمادًا على القيمة التي يتشكل بها المخطط المكاني لانتشار الإشارة (تشكيل الحزمة) بمنطقة تغطية معينة (لا نأخذ في الاعتبار إعادة انعكاس الإشارة ، وما إلى ذلك). هذا ما اعتمد عليه المصممون دائمًا عندما يتعلق الأمر بالمكان الذي يجب أن توضع فيه نقاط الوصول بالضبط. لفترة طويلة ، ظل شكل المخطط على حاله ولم يتزايد أو ينقص إلا بما يتناسب مع خصائص الهوائي.
أصبحت عناصر الهوائي الحديثة أكثر قابلية للتحكم وتسمح لك بتغيير النمط المكاني لانتشار الإشارة ديناميكيًا في الوقت الفعلي.
يوضح الشكل الأيسر أعلاه مبدأ انتشار الموجات الراديوية باستخدام هوائي قياسي شامل الاتجاهات. من خلال زيادة قوة الإشارة ، يمكننا فقط تغيير نصف قطر التغطية دون القدرة على التأثير بشكل كبير على جودة استخدام القناة - KQI (مؤشرات الجودة الرئيسية). وهذا المؤشر مهم للغاية عند تنظيم الاتصال في ظروف الحركة المتكررة لجهاز المشترك في بيئة لاسلكية.
كان حل المشكلة هو استخدام عدد كبير من الهوائيات الصغيرة ، يمكن تعديل الحمل عليها في الوقت الفعلي ، لتشكيل أنماط انتشار اعتمادًا على الموقع المكاني للمستخدم.
وبالتالي ، كان من الممكن الاقتراب من استخدام تقنية MU-MIMO (مدخلات متعددة المستخدمين ، ومخرجات متعددة). بفضل مساعدتها ، تولد نقطة الوصول في أي وقت تدفقات إشعاعية موجهة بشكل خاص نحو أجهزة المشتركين.
من الفيزياء إلى معايير 802.11
مع تطور معايير Wi-Fi ، تغيرت مبادئ العمل مع الطبقة المادية للشبكة. أتاح استخدام آليات التعديل الأخرى - بدءًا من الإصدارات 802.11g / n - احتواء المزيد من المعلومات في خانة الوقت ، وبالتالي العمل مع عدد كبير من المستخدمين. من بين أمور أخرى ، تم تحقيق ذلك من خلال استخدام التدفقات المكانية. وقد سمحت المرونة المكتشفة حديثًا من حيث عرض القناة بتوليد المزيد من الموارد لـ MIMO.
من المقرر أن تتم الموافقة على شبكة Wi-Fi 7 في العام المقبل ، فما الذي سيتغير مع وصولها؟ بالإضافة إلى الزيادة المعتادة في السرعة وإضافة النطاق 6 جيجاهرتز ، سيكون من الممكن العمل مع قنوات مجمعة واسعة ، مثل 320 ميجاهرتز. هذا مثير للاهتمام بشكل خاص في سياق التطبيقات الصناعية.
عرض النطاق الترددي النظري لشبكة Wi-Fi 6
الصيغة النظرية لحساب السرعة الاسمية لشبكة Wi-Fi 6 معقدة للغاية وتعتمد على العديد من المعلمات ، بدءًا من عدد التدفقات المكانية وتنتهي بالمعلومات التي يمكننا وضعها في الناقل الفرعي (أو الناقلات الفرعية ، إذا كان هناك العديد منها) لكل وحدة زمنية.
كما ترى ، يعتمد الكثير على التدفقات المكانية. ولكن من قبل ، أدت الزيادة في عددها إلى جانب استخدام STC (ترميز الزمكان) و MRC (دمج النسبة القصوى) إلى تدهور أداء الحل اللاسلكي ككل.
تقنيات الطبقة المادية الرئيسية الجديدة
دعنا ننتقل إلى التقنيات الرئيسية للطبقة المادية - ونبدأ بالطبقة الأولى من نموذج شبكة OSI.
تذكر أن OFDM يستخدم عددًا معينًا من الموجات الحاملة الفرعية القادرة ، دون التأثير على بعضها البعض ، على إرسال قدر معين من المعلومات.
في المثال ، نستخدم النطاق 5,220 جيجا هرتز ، والذي يحتوي على 48 قناة فرعية. من خلال تجميع هذه القناة ، نحصل على عدد أكبر من الموجات الحاملة الفرعية ، كل منها يستخدم مخطط التعديل الخاص به.
يستخدم Wi-Fi 5 التعديل التربيعي 256 QAM (تعديل السعة التربيعي) ، والذي يسمح لك بتكوين حقل 16 × 16 نقطة تختلف في السعة والمرحلة ضمن تردد الموجة الحاملة في فتحة زمنية واحدة. العيب هو أن محطة واحدة فقط يمكنها الإرسال على تردد الموجة الحاملة في أي وقت.
جاء تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) من عالم مشغلي الهواتف المحمولة ، وينتشر في وقت واحد مع LTE ويستخدم لتنظيم الوصلة الهابطة (قناة اتصال للمشترك). يسمح لك بالعمل مع القناة على مستوى ما يسمى بوحدات الموارد. تساعد هذه الوحدات في تقسيم الكتلة إلى عدد معين من المكونات. في إطار الكتلة ، لا يمكننا العمل بصرامة مع عنصر مشع واحد (مستخدم أو نقطة وصول) في كل لحظة ، لكننا نجمع عشرات العناصر. هذا يسمح لك بتحقيق نتائج ملحوظة.
سهولة ربط القنوات بشبكة Wi-Fi 6
يتيح لك ربط القنوات في Wi-Fi 6 الحصول على قنوات مدمجة بعرض 20 إلى 160 ميجاهرتز. علاوة على ذلك ، لا يلزم إجراء الاتصال في نطاقات قريبة. على سبيل المثال ، يمكن أخذ كتلة واحدة من النطاق 5,17 جيجاهرتز ، والثانية من النطاق 5,135 جيجاهرتز. يتيح لك ذلك إنشاء بيئة لاسلكية بمرونة حتى في وجود عوامل تداخل قوية أو بالقرب من محطات أخرى تصدر باستمرار.
من SIMO إلى MIMO
لم تكن طريقة MIMO معنا دائمًا. ذات مرة ، كان يجب أن تقتصر اتصالات الهاتف المحمول على وضع SIMO ، مما يعني أن محطة المشترك لديها العديد من الهوائيات التي تعمل في وقت واحد لتلقي المعلومات.
تم تصميم MU-MIMO لنقل المعلومات إلى المستخدمين باستخدام صندوق الهوائي الحالي بالكامل. يؤدي هذا إلى إزالة القيود التي فرضها مسبقًا بروتوكول CSMA / CA المرتبط بإرسال الرموز المميزة إلى أجهزة المشتركين من أجل النقل. يتحد المستخدمون الآن في مجموعة ويتلقى كل عضو في المجموعة الجزء الخاص به من مورد صندوق الهوائي لنقطة الوصول ، ولا ينتظر في طابور.
تكوين الشعاع
تتمثل إحدى القواعد المهمة لتشغيل MU-MIMO في الحفاظ على مثل هذا النمط من تشغيل صندوق الهوائي ، والذي لن يؤدي إلى تداخل متبادل بين موجات الراديو وفقدان المعلومات بسبب إضافة الطور.
يتطلب هذا حسابات رياضية معقدة على جانب نقطة الوصول. إذا كان الجهاز يدعم هذه الميزة ، فإن MU-MIMO يسمح له بإخبار نقطة الوصول عن مدى التأخير الذي تستقبله إشارة على كل هوائي محدد. وتقوم نقطة الوصول بدورها بضبط هوائياتها لتشكيل شعاع موجه بشكل مثالي.
ماذا يعطينا بشكل عام؟
تشير الدوائر البيضاء التي تحتوي على أرقام في الجدول إلى السيناريوهات الحالية لاستخدام الأجيال السابقة من Wi-Fi. تصف الدوائر الزرقاء (انظر الرسم التوضيحي أعلاه) إمكانيات Wi-Fi 6 ، والدوائر الرمادية هي مسألة المستقبل القريب.
ترتبط المزايا الرئيسية التي تجلبها الحلول الجديدة بدعم OFDMA بوحدات الموارد المنفذة على مستوى مماثل لـ TDM (مضاعفة تقسيم الوقت). لم يكن هذا هو الحال مع Wi-Fi من قبل. يتيح لك ذلك التحكم بوضوح في النطاق المخصص ، مما يضمن الحد الأدنى من وقت عبور الإشارة عبر الوسيط والمستوى المطلوب من الموثوقية. لحسن الحظ ، لا أحد يشك في أن مؤشرات موثوقية Wi-Fi بحاجة إلى التحسين.
يتحرك التاريخ في دوامة ، والوضع الحالي مشابه للوضع الذي نشأ في وقت ما حول Ethernet. حتى ذلك الحين ، تم إثبات الرأي القائل بأن وسيط الإرسال CSMA / CD (الوصول المتعدد بحساس الناقل مع اكتشاف التصادم) لا يوفر أي إنتاجية مضمونة. وهكذا استمر حتى الانتقال إلى IEEE 802.3z.
بالنسبة لنماذج التطبيقات العامة ، كما ترى ، مع كل جيل من شبكات Wi-Fi ، تتضاعف سيناريوهات استخدامها ، وأكثر حساسية للتأخير ، بشكل عام. والموثوقية.
ومرة أخرى عن البيئة المادية
حسنًا ، الآن حول كيفية تكوين بيئة فيزيائية جديدة. عند استخدام CSMA / CA و OFDM ، أدت الزيادة في عدد النقاط النشطة (Active STA) إلى حقيقة أن صبيب قناة 20 MHz انخفض بشكل خطير. كان هذا بسبب ما تم ذكره بالفعل: مع عدم وجود أحدث التقنيات ، STC (ترميز المكان والزمان) و MRC (دمج النسبة القصوى).
يمكن أن يتفاعل OFDMA بسبب استخدام وحدات الموارد بشكل فعال مع محطات الطاقة البعيدة والمنخفضة. نحصل على فرصة للعمل في نفس نطاق شركات الاتصالات مع المستخدمين الذين يستهلكون كميات مختلفة من الموارد. يمكن لمستخدم واحد أن يشغل وحدة واحدة ، ويمكن للآخر أن يشغل جميع الوحدات الأخرى.
لماذا لم يكن هناك OFDMA من قبل؟
وأخيرًا ، السؤال الرئيسي: لماذا لم يكن هناك OFDMA من قبل؟ ومن الغريب أن الأمر كله يتعلق بالمال.
لفترة طويلة ، كان يعتقد أن سعر وحدة Wi-Fi يجب أن يكون ضئيلاً. عندما تم إطلاق البروتوكول في التشغيل التجاري في عام 1997 ، تقرر ألا تتجاوز تكلفة إنتاج مثل هذه الوحدة دولارًا واحدًا. نتيجة لذلك ، اتخذ تطور التكنولوجيا مسارًا دون المستوى الأمثل. هنا لا نأخذ في الاعتبار LTE الناقل ، حيث تم استخدام OFDMA لفترة طويلة.
في النهاية ، قررت مجموعة عمل Wi-Fi نقل هذه التطورات من عالم مشغلي الاتصالات ونقلها إلى عالم شبكات المؤسسات. كانت المهمة الرئيسية هي الانتقال إلى استخدام عناصر عالية الجودة ، مثل المرشحات والمذبذبات.
لماذا كان من الصعب علينا العمل في ترميزات MRC القديمة مع أو بدون تدخل؟ نظرًا لأن آلية تشكيل الحزمة MVDR (الحد الأدنى من الاستجابة للتباين غير المشوه) زادت بشكل كبير من عدد الأخطاء بمجرد أن حاولنا محاذاة عدد كبير من نقاط الإرسال. أثبت OFDMA أن المشكلة قابلة للحل.
إن الكفاح ضد التدخل يعتمد الآن على الرياضيات. إذا كانت نافذة الاتصال طويلة بما يكفي ، فإن التداخل الديناميكي الناتج يؤدي إلى مشاكل. تسمح لك خوارزميات التشغيل الجديدة بالابتعاد عنها ، باستثناء تأثير ليس فقط التداخل المرتبط بنقل شبكة Wi-Fi ، ولكن أيضًا أي تداخل آخر يحدث في هذا النطاق.
بفضل قمع التداخل التكيفي ، يمكننا كسب ما يصل إلى 11 ديسيبل حتى في بيئة معقدة غير متجانسة. أتاح استخدام الحلول الخوارزمية الخاصة بشركة Huawei تحقيق تحسين جاد عند الحاجة بالضبط - في الحلول الداخلية. ما هو جيد في 5G ليس بالضرورة جيدًا في بيئة Wi-Fi 6. تختلف أساليب MIMO و MU-MIMO الهائلة بين الحلول الداخلية والخارجية. عند الاقتضاء ، من المناسب استخدام حلول باهظة الثمن ، كما هو الحال في 5G. ولكن هناك حاجة أيضًا إلى خيارات أخرى ، مثل Wi-Fi 6 ، القادرة على توفير وقت الاستجابة والأداء الذي نتوقعه من شركات الاتصالات.
نستعير منهم الأدوات التي ستكون مفيدة لنا كمستهلكين من الشركات ، كل ذلك من أجل توفير بيئة مادية يمكن الاعتماد عليها.
***
بالمناسبة ، لا تنسَ ندواتنا على الويب العديدة حول مستجدات Huawei 2020 ، والتي تُعقد ليس فقط في الجزء الناطق باللغة الروسية ، ولكن أيضًا على المستوى العالمي. تتوفر قائمة بالندوات عبر الإنترنت للأسابيع القادمة على .
المصدر: www.habr.com