В своите разработки Huawei залага на Wi-Fi 6. Въпросите от колегите и клиентите за новото поколение на стандарта ни подтикнаха да напишем пост за теоретичните основи и физическите принципи, заложени в него. От историята ще преминем към физиката, подробно ще разгледаме защо са нужни технологиите OFDMA и MU-MIMO. Ще поговорим и за това как принципно переработената физическа среда за предаване на данни е позволила да се постигне гарантирана пропускна способност на каналите и такова намаление на общото ниво на забавяне, че те станаха сравними с „операторските“. И то при това, че съвременните мрежи на основата на 5G са по-скъпи (в средно 20–30 пъти) в сравнение с подобни по възможности indoor мрежи на Wi-Fi 6.
За Huawei темата не е празна: решенията с поддръжка на Wi-Fi 6 - сред най-пробивните наши продукти през 2020 година, в които бяха вложени огромни ресурси. Ето само един пример: изследванията в областта на материалознанието ни позволиха да подберем сплав, чието използване в радиоелементите на точката за достъп увеличи съотношението „сигнал - шум“ с 2–3 dB: сваляме шапка в почит на Дорън Езри (Doron Ezri) за това постижение.
Малко история
Историята на Wi-Fi има смисъл да се отброява от 1971 година, когато в Университета на Хаваите професор Норман Абрамсон с група колеги разработи, построи и стартира безжичната мрежа за пакетна предаване на данни ALOHAnet.
През 1980 година беше од-approveda група стандарти и протоколи IEEE 802, описващи организацията на двата долни слоя на седемстепенната мрежова модель OSI. До освобождаването на първата версия 802.11 оставаха дълги 17 години.
С приемането през 1997 година на стандарта 802.11, две години преди появата на организацията Wi-Fi Alliance, първото поколение на най-популярната днес технология за безжичен обмен на данни направи крачка в голямият свят.
Стандарт IEEE 802. Поколенията на Wi-Fi
Първият стандарт, който наистина беше масово поддържан от производителите на оборудване, стана 802.11b. Както виждате, честотата на иновациите от края на XX век беше достатъчно стабилна: за качествени промени е нужно време. През последните години основната работа беше насочена към подобряване на физическата среда за предаване на сигнала. За да по-добре разберем съвременната проблематика на Wi-Fi, ще се обърнем към неговите физически основи.
Нека си припомним основите!
Радиовълните са частен случай на електромагнитни вълни, които се разпространяват от източник на възбуждения на електрическото и магнитното поле. Те се характеризират с три основни параметъра: вектор на вълната, както и вектори на електрическото и магнитното поле. Всички три са взаимноперпендикулярни помежду си. Честотата на вълната се нарича брой повторяеми колебания, които се събират в единица време.
Всичко това са общоизвестни факти. Въпреки това, за да стигнем до края, трябва да започнем от самото начало.
На условната скала на честотните диапазони на електромагнитното излъчване, радиочестотният диапазон заема най-ниската (нисочестотна) част. Към него принадлежат електромагнитни вълни с честота на колебания от 3 Hz до 3000 GHz. Всички останали диапазони, включително видимата светлина, имат значително по-висока честота.
Колкото по-висока е честотата, толкова повече енергия може да се предаде на радиовълната, но в същото време тя по-лошо огибава препятствия и по-бързо затухва. Обратното също е вярно. С оглед на тези особености, за работа на Wi-Fi бяха избрани два основни честотни диапазона — 2.4 GHz (действителна честотна лента от 2.4000 до 2.4835 GHz) и 5 GHz (честотни ленти 5.170–5.330, 5.490–5.730 и 5.735–5.835 GHz).
Радиовълните се разпространяват във всички посоки и, за да не се влияят съобщенията едно на друго поради ефекта на интерференция, честотната лента обикновено се разделя на отделни тесни сегменти — канали с тази или онази . На схемата по-горе е видно, че съседните канали 1 и 2 с пропускна способност 20 MHz ще пречат един на друг, а 1 и 6 — не.
Сигналът в канала се предава с помощта на радиовълна на определена носеща честота. За предаване на информацията параметрите на вълната могат да по честота, амплитуда или фаза.
Разделение на каналите в честотните диапазони на Wi-Fi
Честотният диапазон 2.4 GHz е разделен на 14 частично припокриващи се канала с оптимална ширина — 20 MHz. Някога се смяташе, че това е напълно достатъчно за организиране на сложна безжична мрежа. Скоро се установи, че капацитетът на диапазона бързо се изчерпва, така че беше добавен диапазонът 5 GHz, чийто спектрален капацитет е много по-висок. В него, освен 20-мигахерцовите, е възможно назначаването на канали с ширина 40 и 80 MHz.
За допълнително повишаване на ефективността при използване на радиочестотния спектър, в момента широко се прилага технологията за мултиплексиране с ортогонално честотно разделение на каналите ().
Тя предполага използването на няколко поднесущи честоти наред с носещата честота в същия канал, което дава възможност за паралелна предаване на данни. OFDM позволява разпределяне на трафика по удобен „гранулярен“ начин, но поради своята възраст запазва редица съществени недостатъци. Сред тях са принципите на работа по мрежовия протокол CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), съгласно които в определени моменти на една носеща и поднесуща може да работи само един потребител.
Пространствени потоци
Важно средство за увеличаване на пропускателната способност на безжичната мрежа е използването на пространствени потоци.
Точката за достъп носи на себе си няколко радиомодула (един, два или повече), които са свързани с определен брой антени. Тези антени излъчват според определена схема и модулация, и ние получаваме информацията, предадена чрез безжичната среда. Пространственият поток може да се формира между конкретна физическа антена (радиомодул) на точката за достъп и потребителското устройство. Благодарение на това общият обем на предаваната от точката за достъп информация се увеличава многократно в зависимост от броя на потоките (антените).
Според текущите стандарти в диапазона 2,4 GHz може да се реализират до четири пространствени потока, а в диапазона 5 GHz — до осем.
Преди да работим в диапазоните 2,4 и 5 GHz, се ориентирахме само по броя на радиомодулите. Наличието на втори радиомодул осигуряваше допълнителна гъвкавост, тъй като позволяваше на старите абонатни устройства да функционират на 2,4 GHz, а на новите — на 5 GHz. С появата на трети и последващи радиомодули възникнаха известни проблеми. Излъчващите елементи са склонни да създават взаимна намеса, което повишава цената на устройството поради необходимостта от по-качествено проектиране и оснащаване на точката за достъп с компенсационни филтри. Така че едва наскоро стана възможно едновременното поддържане на 16 пространствени потока на една точка за достъп.
Практическа и теоретична скорост
Поради механизмите на работа на OFDM, ние не можехме да получим максималната пропускателна способност на мрежата. Теоретичните изчисления за практическото внедряване на OFDM бяха направени много отдавна и само във връзка с идеални среди, където се предсказваше достатъчно висок кофициент на сигнал-шум (SNR) и вероятност за грешка на бит (BER). В съвременните условия на силно замърсяване на всички интересуващи ни радиочестотни спектри, показателите на пропускателната способност на мрежите, основани на OFDM, са плачевно ниски. И протоколът до последно време продължаваше да носи тези недостатъци, докато на помощ не дойде технологията OFDMA (ортогонален достъп с деление на честотите). За нея — до малко по-късно.
Нека поговорим за антените
Както знаете, всяка антена има коефициент на усилване, в зависимост от който се формира пространственият модел на разпространение на сигнала (beamforming) с определена площ на покритие (не вземаме предвид отразяването на сигналите и т.н.). Точно на това винаги се ориентираха разсъжденията на проектантите относно това къде точно трябва да бъдат разположени точките за достъп. Дълго време формата на модела оставаше неизменна и само се увеличаваше или намаляваше пропорционално на характеристиките на антената.
Съвременните антени стават все по-управляеми и позволяват динамично да променят пространствения модел на разпространение на сигнала в реално време.
В горната част на изображението вляво е показан принципът на разпространение на радиовълните при използване на стандартна всенаправлена антена. Увеличавайки мощността на сигнала, можехме да променяме само радиуса на покритие в отсъствие на възможност да влияе значително на качеството на ползване на канала — KQI (Ключови Показатели за Качество). А този показател е изключително важен при организиране на връзката в условия на често движение на абонатното устройство в безжичната среда.
Решението на проблема стана използването на голям брой малки антени, натоварването на които може да се регулира в реално време, формиравайки патерни на разпространение в зависимост от пространственото положение на потребителя.
По този начин успяхме да се приближим до прилагането на технологията MU-MIMO (Мулти-Потребителски Мултиплен Многопосочен Вход/Изход). С нея точката на достъп във всеки момент формира потоци на излъчване, насочени именно към абонатните устройства.
От физиката към стандартите 802.11
С развитието на стандартите Wi-Fi се промениха принципите на работа с физическия слой на мрежата. Използването на други механизми на модулация даде възможност — започвайки от версиите 802.11g/n — да побере в тайм-слота много по-голямо количество информация и съответно да работи с по-голям брой потребители. Освен това това се постигаше и благодарение на използването на пространствени потоци. А новопридобитата гъвкавост по отношение на ширината на канала позволи формирането на по-голямо количество ресурси за MIMO.
Следващата година се очаква утвърдата на стандарта Wi-Fi 7. Какво ще се промени с неговото пристигане? Освен обичайната надстройка на скоростта и добавянето на диапазон от 6 GHz, ще се появи възможност за работа с широки агрегирани канали, като 320 MHz. Това е особено интересно в контекста на индустриалното приложение.
Теоретичната пропускателна способност на Wi-Fi 6
Теоретичната формула за изчисляване на номиналната скорост на работа на Wi-Fi 6 е достатъчно сложна и зависи от много параметри, започвайки от количеството на пространствените потоци и стигайки до информацията, която можем да вложим в поднесущата (или поднесущите, ако ги има няколко) за единица време.
Както виждате, много неща зависят от пространствените потоци. А всъщност преди увеличаването на тяхното количество в комбинация с STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining) влошаваше работата на безжичното решение като цяло.
Нови ключови технологии на физическо ниво
Да преминем към ключовите технологии на физическото ниво — и да започнем с първото ниво на мрежовата моделна OSI.
Нека припомним, че в OFDM се използва определен брой подносещи, които, без да се засягат помежду си, са способни да предават определено количество информация.
В примера използваме диапазон 5,220 GHz, който съдържа 48 подсигнала. Обединявайки този канал, ще получим повече подносещи, на всяка от които се прилага своя схема на модулация.
В Wi-Fi 5 се използва квадратурна модулация 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), която позволява формирането в рамките на носещата честота в един времеви слот на поле 16 х 16 точки, различаващи се по амплитуда и фаза. Неудобството е, че в всеки отделен момент само една станция може да предава на носещата честота.
Мултиплексирането с ортогонално честотно разделение на каналите (OFDMA) дойде от света на мобилните оператори, разпространи се едновременно с LTE и се използва за организация на downlink (канала за връзка с абоната). То позволява работа с канала на ниво така наречените ресурсни единици. Тези единици помагат да се раздели блокът на определен брой компоненти. В рамките на блока можем да не работим строго с един от излъчващите елементи (потребителя или точката за достъп) в даден момент, а да комбинираме десетки елементи. Това позволява постигане на забележителни резултати.
Просто свързване на каналите в Wi-Fi 6
Свързването на каналите (Channel Bonding) в Wi-Fi 6 позволява получаване на обединени канали с ширина от 20 до 160 MHz. При това свързването не е задължително да се прави в съседни диапазони. Например, един блок може да бъде взет от диапазона 5,17 GHz, а вторият — от диапазона 5,135 GHz. Това позволява гъвкаво изграждане на радиосредата дори при наличието на силни интерференционни фактори или при съседство с други постоянно излъчващи станции.
От SIMO към MIMO
Метод MIMO не всегда был с нами. Ранее мобильная связь ограничивалась режимом SIMO, который подразумевал наличие у абонентской станции нескольких антенн, одновременно работающих на получение информации.
MU-MIMO предназначен для передачи информации пользователям, используя все доступные антенны. Это устраняет ограничения, наложенные протоколом CSMA/CA, связанные с отправкой абонентским устройствам токенов на передачу. Теперь пользователи объединяются в группу, и каждый участник получает свою долю ресурса антенного фонда точки доступа, а не ждёт своей очереди.
Формирование радиолуча
Важное правило работы MU-MIMO заключается в поддержке такого режима работы антенного фонда, который не приводит к взаимному перекрытию радиоволн и потере информации из-за сложения фаз.
Это требует сложных математических расчётов на стороне точки доступа. Если терминал поддерживает данную функцию, MU-MIMO позволяет ему сообщать точке доступа, с какой задержкой он получает сигнал на каждую антенну. Точка доступа, в свою очередь, подстраивает свои антенны для формирования оптимально направленного луча.
Что это нам даёт в целом?
Белыми кружками с цифрами в таблице отмечены текущие сценарии применения Wi-Fi предыдущих поколений. Синие кружки (см. иллюстрацию выше) описывают возможности Wi-Fi 6, а серые — перспективы ближайшего будущего.
Основные преимущества новых решений с поддержкой OFDMA связаны с ресурсными юнитами, реализованными на уровне, аналогичном TDM (Time Division Multiplexing). Ранее в Wi-Fi такого не было. Это позволяет точно контролировать выделяемую полосу, обеспечивая минимальное время прохождения сигнала через среду и нужный уровень надёжности. Все понимают, что показатели надёжности Wi-Fi необходимо улучшать.
История движется по спирали, и текущая ситуация напоминает ту, что сложилась вокруг Ethernet. Тогда уже установилось мнение, что среда передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не обеспечивает гарантированной пропускной способности. Это продолжалось до перехода на IEEE 802.3z.
Що се отнася до общите модели на приложение, както виждате, с всяко ново поколение Wi-Fi сценарии на употреба се увеличават, ставайки все по-чувствителни към забавянето, общия и надеждността.
Отново за физическата среда
Сега относно това, поради което се формира новата физическа среда. При използването на CSMA/CA и OFDM увеличаването на броя на активните точки (Active STA) доведе до сериозно намаляване на пропускателната способност на 20-мегахерцовия канал. Това бе свързано с вече споменатите не съвсем нови технологии STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, благодарение на използването на ресурсни единици, може ефективно да взаимодейства с отдалечени и слаби станции. Получаваме възможност за работа в един и същи носещ диапазон с потребители, консумиращи различни количества ресурси. Един потребител може да заеме една единица, а друг - всички останали.
Защо преди не е имало OFDMA?
И накрая, главният въпрос: защо преди не е имало OFDMA? Няма да повярвате, всичко опираше до пари.
Дълго време се считаше, че цената на Wi-Fi модула трябва да бъде минимална. При стартиране на протокола в търговска експлоатация през 1997 година беше решено, че производствената себестойност на такъв модул не може да надвишава $1. В резултат на това развитието на технологията пое по неоптимален път. Тук не взимаме предвид операторския LTE, където OFDMA се използва от доста време.
В крайна сметка работната група по Wi-Fi реши да вземе тези разработки от света на телекомуникациите и да ги пренесе в света на корпоративните мрежи. Основната задача стана преминаването към използване на по-качествени елементи, като филтри и осцилатори.
Защо ни беше толкова трудно да работим в старите кодировки MRC с интерференция или без нея? Защото механизмът на формиране на лъч MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) рязко увеличаваше броя на грешките, веднага щом се опитахме да комбинираме голямо количество предаващи точки. OFDMA доказа, че проблемът е решим.
Борбата с интерференцията вече се основава на математика. Ако прозорецът за предаване на информация е достатъчно дълъг, възникващата динамична интерференция води до проблеми. Новите алгоритми позволяват да се избегнат тези проблеми, като се изключи влиянието не само на интерференцията, свързана с Wi-Fi предаване, но и на всяка друга, която възниква в този диапазон.
Благодарение на адаптивната борба с интерференцията можем да получим до 11 dB печалба дори в сложна неоднородна среда. Използването на собствените алгоритмични решения на Huawei позволи сериозна оптимизация точно там, където е необходимо — в решенията за закрити пространства. Това, което е добро в 5G, не е задължително да е добро в среда на Wi-Fi 6. Подходите Massive MIMO и MU-MIMO се различават в случай на решения за закрити и открити пространства. Там, където е необходимо, е уместно да се използват скъпи решения, както в 5G. Но са нужни и други варианти, като Wi-Fi 6, способни да осигурят забавяне и други показатели, от които сме свикнали да очакваме от операторите на информация.
Ние заимстваме от тях инструментите, които ще бъдат полезни за нас като корпоративни потребители, и всичко това, за да осигурим физическа среда, на която можем да разчитаме.
***
Между другото, не забравяйте за многобройните ни уебинари за новините на Huawei за 2020 година, провеждани не само в рускоговорящия сегмент, но и на глобално ниво. Списъкът с уебинари за следващите седмици е достъпен на .
Източник: habr.com
