🥇Какво можем да очакваме от Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Съвсем наскоро на пазара се появиха устройства, които поддържат технологията Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), за която се говори много. Но малко хора знаят, че в момента се разработва ново поколение технология Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). В тази статия ще разгледаме какво ще представлява Wi-Fi 7.

Предистория

През септември 2020 г. ще отбележим 30-годишнината на проекта IEEE 802.11, който оказа съществено влияние върху нашия живот. В момента технологията Wi-Fi, определяна от семейството на стандартите IEEE 802.11, е най-популярната безжична технология, използвана за свързване с интернет: Wi-Fi предава повече от половината потребителски трафик. Докато мобилните технологии променят бранда си на всеки десет години, например, като заменят името 4G с 5G, при потребителите на Wi-Fi увеличаването на скоростта на предаване на данни, както и въвеждането на нови услуги и функции, се случва почти незабелязано. Само няколко клиента се грижат за буквите „n“, „ac“ или „ax“, които следват „802.11“ на опаковките на оборудването. Но това не означава, че Wi-Fi не напредва.

Едно от доказателствата за развитието на Wi-Fi е рязкото увеличение на номиналните скорости на предаване на данни: от 2 Mbps в версията от 1997 г. до почти 10 Gbps в най-новия стандарт 802.11ax, известен още като Wi-Fi 6. Съвременният Wi-Fi достига такъв растеж на производителността благодарение на по-бързи схемни кодирания, по-широки канали и използване на технологии. MIMO.

Освен основното направление на високоскоростни безжични локални мрежи, еволюцията на Wi-Fi включва и няколко нишови проекта. Например, Wi-Fi HaLow (802.11ah) стана опит да изведе Wi-Fi на пазара за безжичен Интернет на нещата. Безжичната технология в милиметровия диапазон (802.11ad/ay) поддържа номинални скорости на предаване на данни до 275 Gbps, но на много кратки разстояния.

Новите приложения и услуги, свързани с видеопотоци с висока разделителна способност, виртуална и добавена реалност, игри, дистанционен офис и облачни изчисления, както и необходимостта от поддръжка на голям брой потребители с интензивен трафик в безжични мрежи изискват висока производителност.

Цели на Wi-Fi 7

През май 2019 г. подгрупата BE (TGbe) на работната група 802.11 на комитета за стандартизация на локални и градски мрежи стартира работа върху ново допълнение към стандарта Wi-Fi, което ще увеличи номиналната пропускателна способност до над 40 Гбит/с в един честотен канал с „типичен“ за Wi-Fi диапазон <= 7 GHz. Въпреки че в много документи се споменава „максимална пропускателна способност не по-малко от 30 Гбит/с“, новият физически протокол ще осигурява номинална скорост над 40 Гбит/с.

Още едно важно направление в разработката на Wi-Fi 7 е подкрепата на приложения в реално време (игри, виртуална и добавена реалност, управление на роботи). Интересно е, че макар Wi-Fi по особен начин да обслужва аудио и видео трафик, дълго време се считаше, че осигуряването на гарантирано минимални забавяния (в милисекунди), известно като Time-Sensitive Networking, в Wi-Fi мрежи принципно е невъзможно. През ноември 2017 г. нашият екип от ИППИ РАН и НИУ ВШЕ (не го считайте за реклама) направи съответно предложение в групата IEEE 802.11. Предложението предизвика голям интерес и през юли 2018 г. беше стартирана специална подгрупа за по-нататъшно разглеждане на този въпрос. Поради необходимостта от високи номинални скорости на предаване на данни, както и разширяване на функционалността на канално ниво за подкрепа на приложения в реално време, работната група 802.11 реши да разработи методи за подкрепа на приложения в реално време в рамките на Wi-Fi 7.

Важно изискване, свързано с Wi-Fi 7, е неговото съществуване заедно с технологиите на мобилните мрежи (4G/5G), разработвани от 3GPP и работещи в същите нелицензирани честотни ленти. Става въпрос за LTE-LAA/NR-U. За да се изучат проблемите, свързани с съвместимостта на Wi-Fi и мобилните мрежи, IEEE 802.11 стартира Coexisting Standing Committee (Coex SC). Въпреки многобройните срещи и дори съвместен семинар на участниците от 3GPP и IEEE 802.11 през юли 2019 г. във Виена, техническите решения все още не са били одобрени. Возможно обяснение за такава безплодна дейност е, че и IEEE 802, и 3GPP не искат да променят собствените си технологии, за да ги синхронизират помежду си. Така, в момента не е ясно дали дискусиите в рамките на Coex SC ще повлияят на стандарта Wi-Fi 7.

Процесът на разработка

Въпреки че процесът на разработка на Wi-Fi 7 е в самото начало, вече са направени около 500 предложения за нови функции за бъдещия Wi-Fi 7, известен също като IEEE 802.11be. Повечето идеи се обсъждат само в подгрупата be и решение по тях все още не е взето. Други идеи бяха наскоро одобрени. По-долу ще бъде ясно посочено кои предложения са утвърдени и кои само се обсъждат.

Първоначално беше планирано разработката на основните нови механизми да бъде завършена до март 2021 година. Окончателният вариант на стандарта се очаква да бъде готов в началото на 2024 година. През януари 2020 в подгрупата 11be беше изразена загриженост дали разработката ще съответства на графика при настоящото темпо на работа. За да се ускори процесът на разработка на стандарта, подгрупата се съгласи да избере малък набор от високоприоритетни функции, които могат да бъдат пуснати до 2021 година (Release 1), а останалите да останат за Release 2. Високоприоритетните функции трябва да осигурят основно увеличение на производителността и включват поддръжка на 320 МГц, 4K-QAM, очевидни подобрения в OFDMA от Wi-Fi 6, MU-MIMO с 16 потока.

Заради коронавируса групата в момента не провежда очни срещи, но редовно провежда телеконференции. Така разработката се забави донякъде, но не спря.

Детайли на технологията

Нека разгледаме основните иновации в Wi-Fi 7.

Новият физически протокол е развитие на протокола Wi-Fi 6 с двойно увеличение широчината на лентата до 320 МГц, двойно увеличение на пространствените потоци MU-MIMO, което увеличава номиналната пропускателна способност в 2×2 = 4 пъти. Wi-Fi 7 също така започва да използва модулация 4K-QAM, което добавя още 20% към номиналната пропускателна способност. По този начин Wi-Fi 7 ще осигури номинална скорост на предаване от 2x2x1,2 = 4,8 пъти по-висока в сравнение с Wi-Fi 6: максималната номинална пропускателна способност на Wi-Fi 7 е 9,6 Гбит/с х 4,8 = 46 Гбит/с. Освен това ще бъде направено революционно изменение в физическия протокол, свързано с осигуряване на съвместимост с бъдещите версии на Wi-Fi, но то ще остане незабележимо за потребителите.
Промяна в метода на достъп до канала за поддръжка на приложения в реално време ще бъде проведено, като се вземе предвид опитът на IEEE 802 TSN за проводими мрежи. Продължаващите дискусии в комитета по стандартизация са свързани с процедурата за случайно забавяне при достъп до канала, категориите на обслужване на трафика и, съответно, отделните опашки за трафик с реално време, както и политиките за обслужване на пакетите.
Въведен в Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – метод за достъп до канала с разделение по време и честота (аналогичен на този, който се използва в мрежи 4G и 5G) – предоставя нови възможности за оптимално разпределение на ресурсите. Въпреки това, в 11ax OFDMA не е достатъчно гъвкав. Първо, той позволява на достъпната точка да выделя на клиентското устройство само един ресурсен блок с предварително определен размер. Второ, той не поддържа директна предаване между клиентските станции. И двата недостатъка намаляват спектралната ефективност. Освен това, липсата на гъвкавост, наследена от Wi-Fi 6 OFDMA, влошава производителността в плътни мрежи и увеличава латентността, което е критично за приложенията с реално време. 11be ще реши тези проблеми с OFDMA.
Едно от утвърдените революционни изменения в Wi-Fi 7 е вградената поддръжка за едновременно използване на няколко паралелни връзки на различни честоти, което е изключително полезно както за огромни скорости на предаване на данни, така и за изключително ниска латентност. Въпреки че съвременните чипсети вече могат да използват няколко връзки едновременно, например в диапазона 2.4 и 5 GHz, тези връзки са независими, което ограничава ефективността на такава операция. В 11be ще бъде намерено такова ниво на синхронизация между каналите, което позволява ефективно използване на ресурсите на канала и ще доведе до съществени промени в правилата за протокола за достъп до канала.
Използването на много широки канали и голям брой пространствени потоци води до проблема с високите разходи, свързани с процедурата за оценка на състоянието на канала, необходима за MIMO и OFDMA. Тези разходи обезсилват целия печалба от увеличаването на номиналните скорости на предаване на данни. Очаква се, че процедурата за оценка на състоянието на канала ще бъде преразгледана.
В контекста на Wi-Fi 7 в комисията по стандартизация се обсъждат използването на някои "напреднали" методи за предаване на данни. В теория тези методи увеличават спектралната ефективност при повторни опити за предаване, а също така при едновременни предавания в една и съща или противоположна посока. Става дума за хибриден автоматичен запит за повторение (HARQ), използван сега в мобилните мрежи, за режима full-duplex и за неортогонален множествен достъп (NOMA). Тези методи са добре изучени в литературата теоретично, обаче все още не е ясно дали подобрението в производителността, което те предоставят, оправдава усилията, насочени към тяхната реализация.
- Използването HARQ усложнено от следния проблем. В Wi-Fi, за да се намалят разходите, пакетите се комбинират. В текущите версии на Wi-Fi доставката на всеки пакет в рамките на комбинираното се потвърдена и, ако потвърждението не идва, предаването на пакета се повтаря с методите на протокола за достъп до канала. HARQ прехвърля повторните опити от канеловия на физическия ниво, където пакети вече не съществуват, а има кодови думи, при което границите на кодовите думи не съвпадат с границата на пакетите. Такава рассинхронизация усложнява реализацията на HARQ в Wi-Fi.
- Що се отнася до Full-Duplex, в момента нито в мобилните мрежи, нито в мрежите Wi-Fi не е възможно едновременно в една и съща честотна лента да се предават данни и към точката за достъп (базовата станция), и от нея. От техническа гледна точка това е свързано с голямата разлика в мощността на предавания и приеман сигнал. Въпреки че съществуват прототипи, комбиниращи цифрово и аналогово изваждане на предаван сигнал от приетия, способни да получат Wi-Fi сигнал по време на предаването си, печалбата, която те могат да осигурят на практика, може да бъде незначителна, тъй като в всеки момент време низходящият поток не е равен на възходящият (в средния "по болницата" низходящият е значително по-голям). При това двустранното предаване значително усложнява протокола.
- Ако за предаване на няколко потока с помощта на MIMO е необходимо да се разполагат с няколко антени за предавателя и приемника, в случай на неортогонален достъп точка на достъп може едновременно да предава данни на двама получатели с една антена. Различни варианти на неортогонален достъп са включени в последните спецификации на 5G. Прототип NOMA Wi-Fi беше създаден за първи път през 2018 г. в ИППИ РАН (пак да не помислите, че правим реклама). Той демонстрира увеличение на производителността с 30-40%. Предимствата на разработената технология са нейното обратно съвместимост: един от двамата получатели може да бъде остаряла система, която не поддържа Wi-Fi 7. Проблемът с обратната съвместимост е изключително важен, тъй като в мрежата Wi-Fi могат да работят устройства от различни поколения. В момента няколко екипа по света анализират ефективността от съвместната употреба на NOMA и MU-MIMO, чийто резултат ще определи по-нататъшната съдба на подхода. Ние също така продължаваме работа по прототипа: неговата следваща версия ще бъде представена на конференцията IEEE INFOCOM през юли 2020 г.
Накрая, още едно важно нововъдение, но с неясна съдба, е координираната работа на точките на достъп. Въпреки че много доставчици имат свои собствени централизирани контролери за корпоративни Wi-Fi мрежи, възможностите на такива контролери обикновено са ограничени до настройка на дългосрочни параметри и избор на канал. Комитетът по стандартизация обсъжда по-тесно сътрудничество между съседни точки за достъп, включващо координирано планиране на предавания, beamforming (насочено предаване на сигнал) и дори разпределени MIMO системи. Някои от разглежданите подходи използват последователно потискане на смущения (приблизително същото каквото е в NOMA). Въпреки че подходите за координация на 11be все още не са разработени, няма съмнение, че стандартът ще позволи на точки за достъп от различни производители да координират графика на предаванията, за да намалят взаимната интерференция. По отношение на други, по-сложни подходи (като разпределено MU-MIMO), тяхното внедряване в стандарта ще бъде по-трудно, въпреки че отделни членове на групата са решени да го направят в рамките на Release 2. Независимо от изхода, съдбата на методите за координация на точки за достъп е неясна. Дори да бъдат включени в стандарта, те може да не достигнат до пазара. Подобно се е случвало и преди при опити за регулиране на Wi-Fi предаванията с помощта на решения като HCCA (11e) и HCCA TXOP Negotiation (11be).

В заключение, изглежда, че повечето предложения, свързани с първите пет групи, ще станат част от Wi-Fi 7, докато предложенията, свързани с двете последни групи, изискват значителни допълнителни изследвания, за да докажат своята ефективност.