🥇Какво 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 вече 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 отпразнуваме 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 претърпяват ребрандиране на всеки десет години, например, сменяйки името 4G с 5G, за потребителите на Wi-Fi увеличаването на скоростта на предаване на данни, както и внедряването на нови услуги и функции, става почти незабележимо. Само малцина клиенти се интересуват от буквите „n“, „ac“ или „ax“, които следват след „802.11“ на опаковките на оборудването. Но това не означава, че Wi-Fi не се развива.

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 постига този ръст на производителността благодарение на по-бързи конструкции на кодове и сигнали, по-широки канали и използването на технологии. MIMO.

В допълнение към основното направление на високоскоростни безжични локални мрежи, еволюцията на Wi-Fi включва и няколко нишови проекта. Например, Wi-Fi HaLow (802.11ah) е опит да изведе Wi-Fi на пазара на безжичен интернет на нещата. Безжичната технология на милиметровия диапазон (802.11ad/ay) поддържа номинални скорости на предаване на данни до 275 Gbps, макар и на много малки разстояния.

Нови приложения и услуги, свързани с видеопотоци с висока резолюция, виртуална и добавена реалност, игри, дистанционен офис и облачни изчисления, както и необходимостта от поддържане на голям брой потребители с интензивен трафик в безжичните 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 започна работа по ново допълнение към стандарта Wi-Fi, което ще увеличи номиналната пропускна способност до над 40 Гбит/с в един честотен канал, типичен за Wi-Fi диапазона <= 7 GHz. Въпреки че в много документи се споменава "максималната пропускна способност не по-малко от 30 Гбит/с", новият протокол на физическото ниво ще осигури номинална скорост над 40 Гбит/с.

Още една важна насока на развитие на Wi-Fi 7 е подкрепата за приложения в реално време (игри, виртуална и допълнена реалност, управление на роботи). Забележително е, че въпреки че Wi-Fi особено обслужва аудио- и видеотрафик, дълго време се смяташе, че осигуряването на гарантирано ниски закъснения (единици милисекунди), известно още като Time-Sensitive Networking, в Wi-Fi мрежи е принципно невъзможно. През ноември 2017 г. нашият колектив от ИППИ РАН и НИУ ВШЕ (не го считайте за реклама) представи съответно предложение в групата IEEE 802.11. Предложението предизвика голям интерес и през юли 2018 г. беше стартирана специална подгрупа за по-дълбочинно проучване на този въпрос. Тъй като за подкрепата на приложения в реално време са нужни както високи номинални скорости на предаване на данни, така и разширяване на функционалността на канално ниво, работната група 802.11 реши да разработи методи за подкрепа на приложения в реално време в рамките на Wi-Fi 7.

Важно направление, свързано с Wi-Fi 7, е неговото съвместно съществуване с технологиите на мобилни мрежи (4G/5G), разработвани от 3GPP и работещи в същите незасегнати честотни ленти. Става въпрос за LTE-LAA/NR-U. За изследване на проблемите, свързани с съвместното съществуване на Wi-Fi и мобилни 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 бяха одобрени. Възможно обяснение за тази безплодна дейност е, че и IEEE 802, и 3GPP не желаят да променят собствените си технологии, за да ги приведат в съответствие с другата. Така че, в момента не е ясно дали обсъжданията в рамките на Coex SC ще повлияят на стандарта Wi-Fi 7.

Процесът на разработване

Въпреки че процесът на разработка на Wi-Fi 7 е в много ранен етап, до момента са внесени около 500 предложения за нови функции за бъдещия Wi-Fi 7, известен още като IEEE 802.11be. Повечето идеи се обсъждат само в подгрупата be и решения все още не са взети. Други идеи бяха наскоро одобрени. По-долу ще бъде ясно посочено кои предложения са одобрени и кои само се обсъждат.

Първоначално беше планирано разработката на основните нови механизми да завърши до март 2021 година. Окончателната версия на стандарта се очаква до началото на 2024 година. През януари 2020 в подгрупата 11be беше изразена загриженост дали разработката ще изпълни графика с настоящото темпо на работа. За да ускори процеса на разработка на стандарта, подгрупата се съгласи да избере малък набор от високо приоритетни функции, които могат да бъдат пуснати до 2021 година (Release 1), а останалите да останат за Release 2. Високо приоритетните функции трябва да осигурят основен ръст в производителността и включват поддръжка на 320 MHz, 4K-QAM, очевидни подобрения в OFDMA от Wi-Fi 6, MU-MIMO с 16 потока.

Поради коронавируса групата в момента не се събира на живо, но редовно провежда телеконференции. Така процесът на разработка се забави, но не спря.

Детайли на технологията

Нека разгледаме основните нововъведения на Wi-Fi 7.

Новият протокол на физическия слой е развитие на протокола Wi-Fi 6 с двоен ръст на ширината на лентата до 320 MHz, двоен ръст на пространствените потоци MU-MIMO, което увеличава номиналната пропускна способност 2×2 = 4 пъти. Wi-Fi 7 също така започва да използва модулация 4K-QAM, което добавя още 20% към номиналната пропускна способност. Така Wi-Fi 7 ще осигури номинална скорост на трансфер 2x2x1,2 = 4,8 пъти по-висока в сравнение с Wi-Fi 6: максималната номинална пропускна способност на Wi-Fi 7 е 9,6 Gbps х 4,8 = 46 Gbps. Освен това ще се направи революционна промяна в протокола на физическия слой, свързана с осигуряването на съвместимост с бъдещите версии на Wi-Fi, но тя ще остане незабележима за потребителите.
Промяна на метода на достъп до канала за подкрепа на приложения в реално време. ще се проведе като се вземе предвид опитът на IEEE 802 TSN за жични мрежи. Продължаващите дискусии в комитета по стандартизация са свързани с процедурата за произволно забавяне при достъп до канала, категориите обслужване на трафика и съответно отделни опашки за трафик в реално време, както и с политиките за обслужване на пакетите.
Въведен в Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – метод за достъп до канала, разделен по време и честота (аналогичен на използвания 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 определя за клиентското устройство само един ресурсен блок с предварително определен размер. На второ място, 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 забавянето, което е критично за приложения в реално време. 11be ще реши тези проблеми с OFDMA.
Едно от одобрените революционни изменения в Wi-Fi 7 е вградената поддръжка за едновременното използване на няколко параллелни връзки на различни честоти, което е изключително полезно както за огромни скорости на предаване на данни, така и за изключително ниско забавяне. 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 тази 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 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 неутрализират целия печалба от увеличените номинални скорости на предаване на данни. Очаква се процедурата за оценка на състоянието на канала да бъде преразгледана.
В контекста на Wi-Fi 7 в комитета по стандартизация се обсъжда използването на някои „напреднали“ методи за предаване на данни. Теоретично тези методи увеличават спектралната ефективност в случай на повторни опити за предаване, както и при симултанни предавания в една и съща или противоположна посока. Става въпрос за хибридния автоматичен запит за повторение (HARQ), който в момента се използва в клетъчните мрежи, за режима full-duplex и за неортогоналния многократен достъп (NOMA). Тези методи са добре проучени в литературата теоретично, но все още не е ясно дали увеличението на производителността, което те осигуряват, ще компенсира усилията, насочени към тяхната реализация.
- Използване HARQ бъдеща работа след като беше усложнена от следния проблем. В Wi-Fi, за да се намалят разходите, пакетите се съединяват. В текущите версии на Wi-Fi доставката на всеки пакет в съединения пакет се потвърджава и, ако потвърждение не пристигне, предаването на пакета се повтаря с методите на протокола за достъп до канала. HARQ премества повторни опити от канала на физическото ниво, където вече няма пакети, а има кодови думи, и границите на кодовите думи не съвпадат с границата на пакетите. Такава разсинхронизация усложнява реализирането на HARQ в Wi-Fi.
- Що се отнася до Full-Duplex, в момента, нито в клетъчните мрежи, нито в Wi-Fi мрежите не е възможно едновременно в един и същи честотен канал 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 приет сигнал. Въпреки че съществуват прототипи, които комбинират цифрово и аналогово изваждане на предавания сигнал от приетия, способни да получат Wi-Fi сигнал по време на собственото си предаване, печалбата, която те могат да донесат на практика, може да бъде незначителна, тъй като в даден момент низходящият поток не е равен на възходящия (в средно „по болницата“ низходящият поток е значително по-голям). Освен това, такова двустранно предаване значително усложнява протокола.
- Ако за предаване на няколко потока с използване на MIMO е необходимо да имате няколко антени за предавателя и получателя, в случая на неортогонален достъп, точката 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 (не го смятайте за реклама). Той демонстрира увеличение на производителността от 30-40%. Предимствата на разработената технология са нейна обратна съвместимост: едно от двете устройства получатели може да бъде остаряло устройство, което не поддържа Wi-Fi 7. Проблемът с обратната съвместимост е много важен, тъй като в Wi-Fi мрежата могат едновременно да работят устройства от различни поколения. В момента няколко екипа по света анализират ефективността на съвместното използване на NOMA и MU-MIMO, резултатите от които ще определят бъдещето на подхода. Ние също така продължаваме работата по прототипа: следващата му версия ще бъде представена на конференцията IEEE INFOCOM през юли 2020 г.
Накрая, още едно важно нововъдение, но с неясна съдба, е координирана работа на точките на достъп. Въпреки че много доставчици имат свои собствени централизирани контролери за корпоративни Wi-Fi мрежи, възможностите на тези контролери обикновено са ограничени до настройване на дългосрочни параметри и избор на канал. Комитетът по стандартизация обсъжда по-тясно сътрудничество между съседните точки за достъп, което включва координирано планиране на предаванията, beamforming (направлено предаване на сигнал) и дори разпределени системи MIMO. Някои от разглежданите подходи използват последователно потискане на смущения (приблизително същото, което 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 помежду си, за да намалят взаимната интерференция. Що се отнася до други, по-сложни подходи (например разпределено MU-MIMO), внедряването им в стандарта ще бъде по-сложно, въпреки че отделни членове на групата са изпълнени с решимост да го направят в рамките на Release 2. Независимо от изхода, съдбата на методите за координация на точките за достъп е неясна. Дори да бъдат включени в стандарта, те може да не достигнат до пазара. Подобно нещо се е случвало и преди при опити за регулиране на предаванията на Wi-Fi с помощта на подобни 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 доказване на своята ефективност.