У сваіх распрацоўках Huawei робіць стаўку на Wi-Fi 6. І пытанні ад калег і заказчыкаў аб новым пакаленні стандарту падштурхнулі нас да таго, каб напісаць пасаду аб тэарэтычных асновах і фізічных прынцыпах, закладзеных у яго. Ад гісторыі пяройдзем да фізікі, падрабязна разбяромся, навошта патрэбныя тэхналогіі OFDMA і MU-MIMO. Пагаворым і пра тое, як прынцыпова перапрацаванае фізічнае асяроддзе перадачы даных дазволіла дабіцца гарантаванай прапускной здольнасці каналаў і такога памяншэння агульнага ўзроўню затрымак, што яны сталі супастаўныя з «аператарскімі». І гэта пры тым, што сучасныя сеткі на аснове 5G даражэй (у сярэднім у 20-30 разоў) аналагічных па магчымасцях indoor-сетак на Wi-Fi 6.
Для Huawei тэма зусім не бяздзейная: рашэнні з падтрымкай Wi-Fi 6 – сярод самых прарыўных нашых прадуктаў у 2020 годзе, у якія былі ўкладзены вялізныя рэсурсы. Вось толькі адзін прыклад: даследаванні ў галіне матэрыялазнаўства дазволілі нам падабраць сплаў, выкарыстанне якога ў радыёэлементах кропкі доступу павялічыла суадносіны "сігнал – шум" на 2-3 дб: здымаем капялюш у павазе перад Доронам Эзры (Doron Ezri) за гэта дасягненне.
Трохі гісторыі
Гісторыю Wi-Fi мае сэнс адлічваць з 1971 гады, калі ва Ўніверсітэце Гаваяў прафесар Норман Абрамсан з групай калег распрацаваў, пабудаваў і запусціў бесправадную сетку пакетнай перадачы дадзеных ALOHAnet.
У 1980 годзе была зацверджана група стандартаў і пратаколаў IEEE 802, якія апісваюць арганізацыю двух ніжніх пластоў сяміузроўневай сеткавай мадэлі OSI. Да рэлізу першай версіі 802.11 заставалася чакаць доўгія 17 гадоў.
З прыняццем у 1997 годзе стандарту 802.11, за два гады да з'яўлення арганізацыі Wi-Fi Alliance, першае пакаленне самай папулярнай сёння тэхналогіі бесправадной перадачы даных ступіла ў вялікі свет.
Стандарт IEEE 802. Пакаленні Wi-Fi
Першым стандартам, па-сапраўднаму масава падтрыманым вытворцамі абсталявання, стаў 802.11b. Як бачыце, частата новаўвядзенняў з канца XX стагоддзі была досыць стабільнай: для якасных змен патрабуецца час. У апошнія гады асноўная праца вялася над паляпшэннем фізічнага асяроддзя перадачы сігналу. Для таго каб лепш зразумець сучасную праблематыку Wi-Fi, звернемся да яго фізічных асноў.
Успомнім асновы!
Радыёхвалі з'яўляюцца прыватным выпадкам электрамагнітных хваль - якія распаўсюджваюцца ад крыніцы абурэнняў электрычнага і магнітнага поля. Яны характарызуюцца трыма асноўнымі параметрамі: хвалевым вектарам, а таксама вектарамі напружанасці электрычнага і магнітнага палёў. Усе тры ўзаемна перпендыкулярныя паміж сабой. Частатой хвалі пры гэтым прынята зваць колькасць паўтаральных ваганняў, якія ўкладваюцца ў адзінку часу.
Усё гэта агульнавядомыя факты. Аднак, каб дайсці да канца, пачаць мы вымушаны з самага пачатку.
На ўмоўнай шкале частотных дыяпазонаў электрамагнітнага выпраменьвання радыёдыяпазон займае самую ніжнюю (нізкачашчынную) частку. Да яго ставяцца электрамагнітныя хвалі з частатой ваганняў ад 3 Гц да 3000 Ггц. Усе іншыя дыяпазоны, у тым ліку бачнае святло, маюць значна больш высокую частату.
Чым вышэй частата, тым большую энергію можна паведаміць радыёхвалі, аднак разам з тым яна горш абгінае перашкоды і хутчэй згасае. Правільна і адваротнае. З улікам гэтых асаблівасцяў для працы Wi-Fi былі абраныя два асноўных частотных дыяпазону – 2,4 Ггц (паласа частот ад 2,4000 да 2,4835 Ггц) і 5 Ггц (паласы частот 5,170–5,330, 5,490–5,730 і 5,735–5,835 Ггц).
Радыёхвалі распаўсюджваюцца ва ўсе бакі, і для таго, каб паведамленні не ўплывалі адзін на аднаго з-за эфекту інтэрферэнцыі, частотную паласу прынята разбіваць на асобныя вузкія адрэзкі - каналы з той ці іншай . На схеме вышэй відаць, што змешчаныя па суседстве каналы 1 і 2 з паласой прапускання 20 Мгц будуць замінаць адзін аднаму, а 1 і 6 – не будуць.
Сігнал усярэдзіне канала перадаецца з дапамогай радыёхвалі на вызначанай апорнай частаце. Для перадачы інфармацыі параметры хвалі могуць па частаце, амплітудзе ці фазе.
Падзел каналаў у частотных дыяпазонах Wi-Fi
Частотны дыяпазон 2,4 Ггц падзелены на 14 часткова накладваюцца адзін на аднаго каналаў аптымальнай шырыні - 20 Мгц. Калісьці лічылася, што гэтага дастаткова для арганізацыі складанай бесправадной сеткі. Неўзабаве высветлілася, што ёмістасць дыяпазону імкліва вычэрпваецца, так што да яго быў дададзены дыяпазон 5 Ггц, спектральная ёмістасць якога значна вышэйшая. У ім, апроч 20-мегагерцовых, магчыма вылучэнне каналаў шырынёй 40 і 80 Мгц.
Для дадатковага павышэння эфектыўнасці выкарыстання радыёчастотнага спектра ў цяперашні час шырока ўжываецца тэхналогія мультыплексавання з артаганальным частотным падзелам каналаў.).
Яна мае на ўвазе выкарыстанне нараўне з апорнай частатой яшчэ і некалькіх паднясучых частот у тым жа канале, што дае магчымасць ажыццяўляць раўналежную перадачу дадзеных. OFDM дазваляе размяркоўваць трафік досыць зручным "гранулярным" спосабам, але ў сілу свайго шаноўнага ўзросту захоўвае шэраг істотных мінусаў. Сярод іх прынцыпы працы па сеткавым пратаколе CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), у адпаведнасці з якімі ў пэўныя моманты часу на адной апорнай і паднясучай можа працаваць толькі адзін карыстач.
Прасторавыя патокі
Важны спосаб павялічыць прапускную здольнасць бесправадной сеткі – выкарыстанне прасторавых патокаў.
Кропка доступу нясе на сабе некалькі радыёмодуляў (адзін, два ці больш), якія падлучаныя да некаторай колькасці антэн. Гэтыя антэны выпраменьваюць па вызначанай схеме і мадуляцыі, і мы з вамі атрымліваем інфармацыю, перададзеную па бесправадным асяроддзі. Прасторавы струмень можа фармавацца паміж пэўнай фізічнай антэнай (радыёмодулем) кропкі доступу і карыстацкай прыладай. Дзякуючы гэтаму агульны аб'ём перадаецца ад кропкі доступу інфармацыі павялічваецца кратна колькасці патокаў (антэн).
Па бягучых стандартах у дыяпазоне 2,4 Ггц можна рэалізаваць да чатырох прасторавых патокаў, у дыяпазоне 5 Ггц – да васьмі.
Перш пры працы ў дыяпазонах 2,4 і 5 Ггц мы арыентаваліся толькі на колькасць радыёмодуляў. Наяўнасць другога радыёмодуля давала дадатковую гнуткасць, бо дазваляла старым абаненцкім прыладам функцыянаваць на частаце 2,4 Ггц, а новым – на частаце 5 Ггц. Са з'яўленнем трэцяга і наступных радыёмодуляў узнікалі некаторыя праблемы. Выпраменьвальныя элементы схільныя ствараць навядзенні сябар на сябра, што павялічвае кошт прылады ў сувязі з неабходнасцю больш якаснага праектавання і абсталяванні кропкі доступу кампенсацыйнымі фільтрамі. Так што толькі нядаўна стала магчымым адначасовае падтрыманне 16 прасторавых плыняў на адзін пункт доступу.
Хуткасць практычная і тэарэтычная
З-за механізмаў працы OFDM мы не маглі атрымаць максімальную прапускную здольнасць сеткі. Тэарэтычныя разлікі для практычнага ўкаранення OFDM праводзіліся вельмі даўно і толькі ў дачыненні да ідэальных асяроддзяў, дзе прадказальна чакаліся дастаткова высокі паказчык адносіны "сігнал - шум" (SNR) і верагоднасць памылкі на біт (BER). У сучасных умовах моцнай зашумленасці ўсіх якія цікавяць нас радыёчастотных спектраў паказчыкі прапускной здольнасці сетак на аснове OFDM гнятліва малы. І пратакол да апошняга часу працягваў несці ў сабе гэтыя недахопы, пакуль на дапамогу не падаспела тэхналогія OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). Пра яе - крыху далей.
Пагаворым пра антэны
Як вы ведаеце, у кожнай антэны ёсць каэфіцыент узмацнення, у залежнасці ад значэння якога фармуецца прасторавы патэрн распаўсюджвання сігналу (beamforming) з вызначаным пляцам пакрыцця (мы не ўлічваем пераатражэнне сігналаў і т. д.). Менавіта на гэта заўсёды абапіраліся развагі праекціроўшчыкаў адносна таго, дзе менавіта павінны быць размешчаны кропкі доступу. Доўгі час форма патэрна заставалася нязменнай і толькі павялічвалася або памяншалася прапарцыйна характарыстыкам антэны.
Сучасныя антэнныя элементы становяцца ўсё больш кіраванымі і дазваляюць дынамічна змяняць прасторавы патэрн распаўсюджвання сігналу ў рэальным часе.
Злева на малюнку уверсе паказаны прынцып распаўсюджвання радыёхваль пры выкарыстанні стандартнай всенаправленной антэны. Павялічваючы магутнасць сігналу, мы маглі змяняць толькі радыус пакрыцця ў адсутнасць магчымасці значна ўплываць на якасць выкарыстання канала – KQI (Key Quality Indicators). А гэты паказчык надзвычай важны пры арганізацыі сувязі ва ўмовах частага перамяшчэння абаненцкай прылады ў бесправадным асяроддзі.
Рашэннем праблемы стала ўжыванне вялікай колькасці маленькіх антэн, нагрузку на якія можна рэгуляваць у рэальным часе, фармуючы патэрны распаўсюджвання ў залежнасці ад прасторавага становішча карыстача.
Такім чынам атрымалася ўшчыльную падысці да ўжывання тэхналогіі MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). З яе дапамогай кропка доступу ў любы момант часу фармуе струмені выпраменьвання, накіраваныя менавіта ў бок абаненцкіх прылад.
Ад фізікі да стандартаў 802.11
Па меры развіцця стандартаў Wi-Fi мяняліся прынцыпы працы з фізічным пластом сеткі. Выкарыстанне іншых механізмаў мадуляцыі дало магчымасць – пачынальна з версій 802.11g/n – мясціць у тайм-слот значна большую колькасць інфармацыі і, адпаведна, працаваць з вялікім лікам карыстачоў. Апроч іншага, гэта дасягалася і дзякуючы выкарыстанню прасторавых патокаў. А новаздабытая гнуткасць у стаўленні шырыні канала дазволіла фармаваць большую колькасць рэсурсаў для MIMO.
На наступны год намечана зацвярджэнне стандарту Wi-Fi 7. Што ж зменіцца з яго прыходам? Апроч звыклага прыросту хуткасці і даданні дыяпазону 6 Ггц з'явіцца магчымасць працаваць з шырокімі агрэгаванымі каналамі, такімі як 320 Мгц. Гэта асабліва цікава ў разрэзе індустрыяльнага прымянення.
Тэарэтычная прапускная здольнасць Wi-Fi 6
Тэарэтычная формула разліку намінальнай хуткасці працы Wi-Fi 6 досыць складаная і залежыць ад шматлікіх параметраў, пачынальна з колькасці прасторавых струменяў і сканчаючы той інфармацыяй, якія мы можам укласці ў паднясучую (ці якія паднясуць, калі іх некалькі) у адзінку часу.
Як бачыце, ад прасторавых патокаў залежыць вельмі шмат. А бо перш за павелічэнне іх колькасці ў спалучэнні з выкарыстаннем STC (Space-Time Coding) і MRC (Maximum Ratio Combining) пагаршала працу бесправаднога рашэння ў цэлым.
Новыя ключавыя тэхналогіі фізічнага ўзроўню
Пяройдзем да ключавых тэхналогій фізічнага ўзроўню - і пачнем з першага ўзроўню сеткавай мадэлі OSI.
Нагадаем, што ў OFDM выкарыстоўваецца пэўную колькасць паднясучых, якія, не закранаючы адзін аднаго, здольныя перадаваць нейкі аб'ём інфармацыі.
У прыкладзе мы выкарыстоўваем дыяпазон 5,220 Ггц, які змяшчае ў сябе 48 падканалаў. Агрэгуючы гэты канал, мы атрымаем большую колькасць паднясучых, на кожнай з якіх прымяняецца свая схема мадуляцыі.
У Wi-Fi 5 выкарыстоўваецца квадратурная мадуляцыя 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), якая дазваляе фармаваць у рамках апорнай частаты ў адным тайм-слоце поле 16 х 16 кропак, якія адрозніваюцца па амплітудзе і фазе. Нязручнасць заключаецца ў тым, што ў кожны асобны момант ажыццяўляць перадачу на апорнай частаце можа толькі адна станцыя.
Мультыплексаванне з артаганальным частотным падзелам каналаў (OFDMA) прыйшло са свету аператараў мабільнай сувязі, атрымала распаўсюджванне адначасова з LTE і прымяняецца для арганізацыі downlink (канала сувязі да абанента). Яно дазваляе працаваць з каналам на ўзроўні так званых рэсурсных юнітаў. Гэтыя юніты дапамагаюць разбіць блок на пэўную колькасць кампанентаў. У рамках блока мы можам у кожны момант не працаваць строга з адным выпраменьвальным элементам (карыстальнікам ці кропкай доступу), а камбінаваць дзясяткі элементаў. Гэта дазваляе дабівацца характэрных вынікаў.
Простае злучэнне каналаў у Wi-Fi 6
Злучэнне каналаў (Channel Bonding) у Wi-Fi 6 дазваляе атрымліваць аб'яднаныя каналы шырынёй ад 20 да 160 Мгц. Прычым злучэнне не абавязкова рабіць у бліжэйшых дыяпазонах. Напрыклад, адзін блок можна ўзяць з дыяпазону 5,17 Ггц, а другі - з дыяпазону 5,135 Ггц. Гэта дазваляе гнутка будаваць радыёасяроддзе нават пры наяўнасці моцных інтэрферэнцыйных фактараў або пры суседстве з іншымі стала выпраменьвальнымі станцыямі.
Ад SIMO да MIMO
Метад MIMO быў з намі не заўсёды. Калісьці мабільнай сувязі даводзілася абмяжоўвацца рэжымам SIMO, які меў на ўвазе наяўнасць у абаненцкай станцыі некалькіх антэн, якія адначасова працуюць на атрыманне інфармацыі.
MU-MIMO закліканы перадаваць інфармацыю карыстальнікам, выкарыстоўваючы ўвесь бягучы антэнны фонд. Гэта здымае якія накладаліся перш пратаколам CSMA/CA абмежаванні, звязаныя з адпраўкай абаненцкім прыладам токенаў на перадачу. Цяпер карыстачы аб'ядноўваюцца ў групу і кожны ўдзельнік групы атрымлівае сваю частку рэсурсу антэннага фонду кропкі доступу, а не чакае сваёй чаргі.
Фарміраванне радыёпрамяня
Важным правілам працы MU-MIMO з'яўляецца падтрыманне такога рэжыму працы антэннага фонду, які не прыводзіў бы да ўзаемнага перакрыцця радыёхваль і страты інфармацыі з-за складання фаз.
Гэта патрабуе складаных матэматычных разлікаў на баку кропкі доступу. Калі тэрмінал падтрымлівае гэтую функцыю, MU-MIMO дазваляе яму паведамляць кропцы доступу, з якой затрымкай ён атрымлівае сігнал на кожную пэўную антэну. А кропка доступу, у сваю чаргу, падладжвае свае антэны для фармавання аптымальна накіраванага прамяня.
Што гэта нам дае ў цэлым?
Белымі кружкамі з лічбамі ў табліцы адзначаны бягучыя сцэнары прымянення Wi-Fi папярэдніх пакаленняў. Сінія гурткі (гл. ілюстрацыю вышэй) апісваюць магчымасці Wi-Fi 6, а шэрыя – справа недалёкай будучыні.
Асноўныя перавагі, якія прыносяць новыя рашэнні з падтрымкай OFDMA, злучаны з рэсурснымі юнітамі, рэалізаванымі на ўзроўні, аналагічным TDM (Time Division Multiplexing). Раней у Wi-Fi такога не было. Гэта дазваляе выразна кантраляваць вылучаемую паласу, забяспечваючы мінімальны час праходжання сігналу праз асяроддзе і патрабаваны ўзровень надзейнасці. Балазе ні ў кога не ўзнікае сумненняў у тым, што паказчыкі надзейнасці Wi-Fi маюць патрэбу ў паляпшэнні.
Гісторыя рухаецца па спіралі, і бягучая сітуацыя падобная да той, якая склалася ў свой час вакол Ethernet. Ужо тады зацвердзілася меркаванне, што асяроддзе перадачы CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не забяспечвае ніякай гарантаванай прапускной здольнасці. І так працягвалася аж да пераходу на IEEE 802.3z.
Што да агульных мадэляў ужывання, то, як бачыце, з кожным пакаленнем Wi-Fi памнажаюцца сцэнары яго выкарыстання, усё больш адчувальныя да затрымак, агульнаму і надзейнасці.
І зноў аб фізічным асяроддзі
Ну а зараз аб тым, за кошт чаго фармуецца новае фізічнае асяроддзе. Пры выкарыстанні CSMA/CA і OFDM рост колькасці актыўных кропак (Active STA) прыводзіў да таго, што прапускная здольнасць 20-мегагерцавага канала сур'ёзна падала. Звязана гэта было з тым, пра што ўжо згадвалася: з не найноўшымі тэхналогіямі STC (Space-Time Coding) і MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA за кошт выкарыстання рэсурсных юнітаў можа эфектыўна ўзаемадзейнічаць з далёкімі і маламагутнымі станцыямі. Мы атрымліваем магчымасць працы ў адным апорным дыяпазоне з карыстальнікамі, якія спажываюць розныя аб'ёмы рэсурсаў. Адзін карыстач можа займаць адзін юніт, а іншы - усё астатнія.
Чаму раней не было OFDMA?
І нарэшце, галоўнае пытанне: чаму раней не было OFDMA? Як ні дзіўна, усё ўпіралася ў грошы.
Доўгі час лічылася, што кошт Wi-Fi-модуля павінна быць мінімальнай. Пры запуску пратаколу ў камерцыйную эксплуатацыю ў 1997 году было вырашана, што сабекошт вытворчасці такога модуля не можа перавышаць $1. Як следства, развіццё тэхналогіі пайшло па неаптымальным шляху. Тут мы не прымаем у разлік аператарскі LTE, дзе OFDMA выкарыстоўваецца ўжо дастаткова даўно.
У рэшце рэшт рабочая група па Wi-Fi вырашыла ўзяць гэтыя напрацоўкі са свету аператараў сувязі і перанесці іх у свет карпаратыўных сетак. Асноўнай задачай стаў пераход на выкарыстанне больш якасных элементаў, такіх як фільтры і асцылятары.
Чаму нам было так складана працаваць у старых кадзіроўках MRC з інтэрферэнцыяй ці без яе? Таму што механізм фармавання прамяня MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) рэзка павялічваў лік памылак, як толькі мы спрабавалі сумясціць вялікую колькасць перадавальных кропак. OFDMA даказаў, што праблема развязальная.
Барацьба з інтэрферэнцыяй зараз заснавана на матэматыцы. Калі акно перадачы інфармацыі досыць доўгае, якая ўзнікае дынамічная інтэрферэнцыя прыводзіць да праблем. Новыя алгарытмы працы дазваляюць адысці ад іх, выключаючы ўплыў не толькі інтэрферэнцыі, звязанай з перадачай Wi-Fi, але і любой іншай, якая ўзнікае ў гэтым дыяпазоне.
Дзякуючы адаптыўнай барацьбе з інтэрферэнцыяй мы можам атрымаць выйгрыш да 11 дб нават у складаным неаднародным асяроддзі. Выкарыстанне ўласных алгарытмічных рашэнняў Huawei дазволіла дамагчыся сур'ёзнай аптымізацыі менавіта там, дзе трэба, – у indoor-рашэннях. Тое, што добра ў 5G, не абавязкова добра ў асяроддзі Wi-Fi 6. Падыходы Massive MIMO і MU-MIMO адрозніваюцца ў выпадку з indoor-і outdoor-рашэннямі. Там, дзе патрабуецца, дарэчы выкарыстоўваць дарагія рашэнні, як у 5G. Але неабходныя і іншыя варыянты, такія як Wi-Fi 6, здольныя забяспечыць затрымкі і іншыя паказчыкі, якіх мы абвыклі чакаць ад аператараў сувязі.
Мы запазычаем у іх тыя інструменты, якія будуць карысныя для нас, як для карпаратыўных спажыўцоў, і ўсё гэта для таго, каб забяспечыць фізічнае асяроддзе, на якое можна будзе разлічваць.
***
Дарэчы, не забывайце пра нашы шматлікія вебинары па навінках Huawei 2020 гады, якія праводзяцца не толькі ў рускамоўным сегменце, але і на глабальным узроўні. Спіс вэбінараў на бліжэйшыя тыдні даступны па .
Крыніца: habr.com