Дълбоко потапяне в това как работи Wi-Fi 6: OFDMA и MU-MIMO

В своите разработки Huawei залага на Wi-Fi 6. А въпросите на колеги и клиенти за новото поколение на стандарта ни накараха да напишем публикация за теоретичните основи и физическите принципи, залегнали в него. Нека да преминем от историята към физиката, нека да разгледаме по-отблизо защо са необходими технологиите OFDMA и MU-MIMO. Нека също така да поговорим за това как фундаментално преработената физическа среда за предаване на данни направи възможно постигането на гарантирана пропускателна способност на канала и такова намаляване на общото ниво на закъснения, че те станаха сравними с "операторските". И това въпреки факта, че съвременните мрежи, базирани на 5G, са по-скъпи (средно 20–30 пъти) от подобни вътрешни мрежи на Wi-Fi 6.

За Huawei темата в никакъв случай не е празна: Wi-Fi 6 решенията са сред нашите най-революционни продукти през 2020 г., в които са инвестирани огромни ресурси. За да дадем само един пример, изследванията в областта на науката за материалите ни позволиха да намерим сплав, чието използване в радио елементите на точката за достъп увеличи съотношението сигнал/шум с 2-3 dB: сваляме шапки по отношение на Дорон Езри (Дорон Езри) за това постижение.

Малко история

Има смисъл да се брои историята на Wi-Fi от 1971 г., когато в Хавайския университет професор Норман Абрамсън и група колеги разработиха, изградиха и стартираха безжичната мрежа за пакети данни ALOHAnet.

През 1980 г. е одобрена група от стандарти и протоколи IEEE 802, описващи организацията на двата долни слоя на седемслойния OSI мрежов модел. Преди пускането на първата версия на 802.11 трябваше да изчака дълги 17 години.

С приемането на стандарта 1997 през 802.11 г., две години преди появата на Wi-Fi Alliance, първото поколение на най-популярната днес безжична технология стъпи в големия свят.

IEEE 802 Wi-Fi поколения

802.11b стана първият стандарт, който наистина се поддържа масово от производителите на оборудване. Както можете да видите, честотата на иновациите от края на XNUMX-ти век е доста стабилна: качествените промени изискват време. През последните години основната работа беше извършена за подобряване на физическата среда за предаване на сигнал. За да разберем по-добре съвременните проблеми на Wi-Fi, нека се обърнем към неговите физически основи.

Нека си припомним основите!

Радиовълните са частен случай на електромагнитните вълни - разпространяват се от източник на смущения в електрическите и магнитните полета. Те се характеризират с три основни параметъра: вълнов вектор, както и вектори на електрическото и магнитното поле. И трите са взаимно перпендикулярни един на друг. В този случай е обичайно да наричаме честотата на вълната броя на повтарящите се трептения, които се вписват в единица време.

Всичко това са добре известни факти. За да стигнем до края обаче, трябва да започнем от самото начало.

В условната скала на честотните диапазони на електромагнитното излъчване радиообхватът заема най-ниската (нискочестотна) част. Той включва електромагнитни вълни с честота на трептене от 3 Hz до 3000 GHz. Всички други ленти, включително видимата светлина, имат много по-висока честота.

Колкото по-висока е честотата, толкова повече енергия може да бъде придадена на радиовълната, но в същото време тя се огъва по-лошо около препятствията и се разпада по-бързо. Обратното също е вярно. Като се имат предвид тези характеристики, бяха избрани два основни честотни диапазона за Wi-Fi работа - 2,4 GHz (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 смущението, е обичайно честотната лента да се разделя на отделни тесни сегменти - канали с един или друг честотна лента. Диаграмата по-горе показва, че съседни канали 1 и 2 с честотна лента от 20 MHz ще си пречат един на друг, но 1 и 6 няма.

Сигналът вътре в канала се предава с помощта на радиовълна на определена носеща честота. За предаване на информация вълновите параметри могат да бъдат модулирани честота, амплитуда или фаза.

Разделяне на канали в Wi-Fi честотни ленти

Честотната лента от 2,4 GHz е разделена на 14 частично припокриващи се канала с оптимална ширина - 20 MHz. Някога се смяташе, че това е достатъчно за организиране на сложна безжична мрежа. Скоро стана ясно, че капацитетът на лентата бързо се изчерпва, така че към нея беше добавена лентата от 5 GHz, чийто спектрален капацитет е много по-висок. В него, в допълнение към 20 MHz, е възможно да се разпределят канали с ширина 40 и 80 MHz.

За допълнително повишаване на ефективността на използването на радиочестотния спектър сега широко се използва технологията за мултиплексиране с ортогонално разделяне на честотите (OFDM).

Това предполага използването, заедно с носещата честота, на още няколко подносещи честоти в същия канал, което прави възможно паралелното предаване на данни. OFDM ви позволява да разпределяте трафика по доста удобен "гранулиран" начин, но поради своята вековна възраст той запазва редица значителни недостатъци. Сред тях са принципите на работа, използващи мрежовия протокол CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), според който в определени моменти само един потребител може да работи на един оператор и подносител.

Пространствени потоци

Важен начин за увеличаване на капацитета на безжична мрежа е използването на пространствени потоци.

Точката за достъп носи няколко радиомодула (един, два или повече), които са свързани към няколко антени. Тези антени излъчват по определена схема и модулация и ние с вас получаваме информация, предавана по безжична среда. Може да се формира пространствен поток между специфична физическа антена (радиомодул) на точката за достъп и потребителското устройство. Поради това общото количество информация, предавана от точката за достъп, се увеличава многократно на броя на потоците (антените).

Съгласно настоящите стандарти, до четири пространствени потока могат да бъдат реализирани в обхвата 2,4 GHz, до осем в обхвата 5 GHz.

Преди това, когато работихме в диапазони 2,4 и 5 GHz, се фокусирахме само върху броя на радиомодулите. Наличието на втори радиомодул даде допълнителна гъвкавост, като позволи на старите абонатни устройства да работят на честота 2,4 GHz, а новите на честота 5 GHz. С появата на третия и следващите радиомодули възникнаха някои проблеми. Излъчващите елементи са склонни да създават смущения помежду си, което увеличава цената на устройството поради необходимостта от по-добър дизайн и оборудване на точката за достъп с компенсационни филтри. Така че едва наскоро стана възможно да се поддържат 16 пространствени потока едновременно на точка за достъп.

Скорост практическа и теоретична

Поради OFDM механизми не можахме да получим максималната честотна лента на мрежата. Теоретичните изчисления за практическото прилагане на OFDM бяха извършени много отдавна и само във връзка с идеални среди, където предвидимо се очакваше сравнително високо съотношение сигнал / шум (SNR) и вероятност за битова грешка (BER). В днешните условия на силно зашумяване на всички радиочестотни спектри, които ни интересуват, показателите за честотна лента на мрежи, базирани на OFDM, са депресиращо малки. И протоколът доскоро продължаваше да носи тези недостатъци, докато технологията OFDMA (ортогонален честотен достъп) не дойде на помощ. За нея - малко по-нататък.

Нека поговорим за антените

Както знаете, всяка антена има печалба, в зависимост от стойността на която се формира пространствен модел на разпространение на сигнала (формиране на лъч) с определена зона на покритие (не вземаме предвид повторното отразяване на сигнала и т.н.). Това е, на което дизайнерите винаги са разчитали, когато става въпрос за това къде точно да бъдат разположени точките за достъп. Дълго време формата на диаграмата остава непроменена и само се увеличава или намалява пропорционално на характеристиките на антената.

Съвременните антенни елементи стават все по-контролируеми и ви позволяват динамично да променяте пространствения модел на разпространение на сигнала в реално време.

Лявата фигура по-горе показва принципа на разпространение на радиовълните с помощта на стандартна многопосочна антена. Чрез увеличаване на силата на сигнала бихме могли да променим само радиуса на покритие без възможност да повлияем значително на качеството на използване на канала - KQI (Ключови показатели за качество). И този показател е изключително важен при организиране на комуникация в условия на често движение на абонатното устройство в безжична среда.

Решението на проблема беше използването на голям брой малки антени, натоварването върху които може да се регулира в реално време, образувайки модели на разпространение в зависимост от пространствената позиция на потребителя.

Така беше възможно да се доближим до използването на технологията MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). С негова помощ точката за достъп по всяко време генерира радиационни потоци, насочени специално към абонатните устройства.

От физиката до стандартите 802.11

С развитието на Wi-Fi стандартите принципите на работа с физическия слой на мрежата се промениха. Използването на други модулационни механизми направи възможно - като се започне с версии 802.11g / n - да се побере много повече информация във времевия слот и съответно да се работи с голям брой потребители. Освен всичко друго, това беше постигнато чрез използването на пространствени потоци. А новооткритата гъвкавост по отношение на ширината на канала позволи генерирането на повече ресурси за MIMO.

Очаква се Wi-Fi 7 да бъде одобрен през следващата година. Какво ще се промени с пристигането му? В допълнение към обичайното увеличение на скоростта и добавянето на лента от 6 GHz, ще бъде възможно да се работи с широки агрегирани канали, като 320 MHz. Това е особено интересно в контекста на индустриалните приложения.

Wi-Fi 6 Теоретична честотна лента

Теоретичната формула за изчисляване на номиналната скорост на Wi-Fi 6 е доста сложна и зависи от много параметри, започвайки от броя на пространствените потоци и завършвайки с информацията, която можем да поставим в подносител (или подносители, ако има няколко) за единица време.

Както можете да видите, много зависи от пространствените потоци. Но преди това увеличаването на техния брой в комбинация с използването на STC (пространствено-времево кодиране) и MRC (комбиниране на максимално съотношение) влоши производителността на безжичното решение като цяло.

Нови ключови технологии на физическия слой

Нека да преминем към ключовите технологии на физическия слой – и да започнем с първия слой на OSI мрежовия модел.

Спомнете си, че OFDM използва определен брой подносители, които, без да се засягат една друга, са способни да предават определено количество информация.

В примера използваме честотна лента от 5,220 GHz, която има 48 подканала. Чрез агрегирането на този канал получаваме по-голям брой подносители, всеки от които използва своя собствена модулационна схема.

Wi-Fi 5 използва квадратурна модулация 256 QAM (квадратурна амплитудна модулация), която ви позволява да формирате в рамките на носещата честота в един времеви слот поле от 16 x 16 точки, които се различават по амплитуда и фаза. Недостатъкът е, че само една станция може да предава на носещата честота във всеки един момент.

Мултиплексирането с ортогонално разделяне на честотите (OFDMA) идва от света на мобилните оператори, разпространява се едновременно с LTE и се използва за организиране на връзка надолу (комуникационен канал към абоната). Тя ви позволява да работите с канала на ниво така наречени ресурсни единици. Тези единици помагат за разделянето на блока на определен брой компоненти. В рамките на блока не можем да работим строго с един излъчващ елемент (потребител или точка за достъп) във всеки момент, а комбинираме десетки елементи. Това ви позволява да постигнете забележителни резултати.

Лесно свързване на канали в Wi-Fi 6

Свързването на канали в Wi-Fi 6 ви позволява да получите комбинирани канали с ширина от 20 до 160 MHz. Освен това връзката не трябва да се прави в близки диапазони. Например, един блок може да бъде взет от обхвата 5,17 GHz, а вторият от обхвата 5,135 GHz. Това ви позволява гъвкаво да изграждате радио среда дори при наличие на силни смущаващи фактори или в близост до други постоянно излъчващи станции.

От SIMO към MIMO

Методът MIMO не винаги е бил с нас. Преди време мобилните комуникации трябваше да бъдат ограничени до режим SIMO, което означаваше, че абонатната станция имаше няколко антени, които едновременно работеха за получаване на информация.

MU-MIMO е проектиран да предава информация на потребителите, използвайки целия текущ антенен фонд. Това премахва ограниченията, наложени преди това от протокола CSMA / CA, свързани с изпращането на токени към абонатни устройства за прехвърляне. Сега потребителите са обединени в група и всеки член на групата получава своята част от ресурса на антенния фонд на точката за достъп, а не чака на опашка.

Формиране на лъч

Важно правило за работа на MU-MIMO е поддържането на такъв режим на работа на антенния фонд, който няма да доведе до взаимно припокриване на радиовълни и загуба на информация поради добавяне на фази.

Това изисква сложни математически изчисления от страна на точката за достъп. Ако терминалът поддържа тази функция, MU-MIMO му позволява да каже на точката за достъп колко забавяне получава сигнал на всяка конкретна антена. А точката за достъп на свой ред настройва антените си, за да формира оптимално насочен лъч.

Какво ни дава като цяло?

Белите кръгове с числа в таблицата показват текущи сценарии за използване на предишни поколения Wi-Fi. Сините кръгове (вижте илюстрацията по-горе) описват възможностите на Wi-Fi 6, а сивите кръгове са въпрос на близко бъдеще.

Основните предимства, които носят новите решения с поддръжка на OFDMA, са свързани с ресурсни единици, реализирани на ниво, подобно на TDM (Time Division Multiplexing). Това не беше случаят с Wi-Fi преди. Това ви позволява ясно да контролирате разпределената лента, осигурявайки минималното време за преминаване на сигнала през средата и необходимото ниво на надеждност. За щастие никой не се съмнява, че показателите за надеждност на Wi-Fi трябва да бъдат подобрени.

Историята се движи по спирала и сегашната ситуация е подобна на тази, която се разви по едно време около Ethernet. Още тогава се установи мнението, че предавателната среда CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не осигурява никаква гарантирана пропускателна способност. И така продължи до прехода към IEEE 802.3z.

Що се отнася до общите модели на използване, както виждате, с всяко поколение Wi-Fi, сценариите на използване се умножават, все по-чувствителни към закъснения, общи трептене и надеждност.

И отново за физическата среда

Е, сега за това как се формира нова физическа среда. При използване на CSMA / CA и OFDM, увеличаването на броя на активните точки (Active STA) доведе до факта, че пропускателната способност на канала от 20 MHz падна сериозно. Това се дължи на вече споменатото: с не най-новите технологии STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA благодарение на използването на ресурсни единици може ефективно да взаимодейства с отдалечени станции и станции с ниска мощност. Получаваме възможност да работим в един и същ обхват на оператора с потребители, които консумират различни количества ресурси. Един потребител може да заема една единица, а друг може да заема всички останали.

Защо преди нямаше OFDMA?

И накрая, основният въпрос: защо преди нямаше OFDMA? Колкото и да е странно, всичко се свеждаше до пари.

Дълго време се смяташе, че цената на Wi-Fi модула трябва да бъде минимална. Когато протоколът беше пуснат в търговска експлоатация през 1997 г., беше решено, че производствената цена на такъв модул не може да надвишава $1. В резултат на това развитието на технологиите пое по неоптимален път. Тук не вземаме предвид оператор LTE, където OFDMA се използва от доста дълго време.

В крайна сметка работната група по Wi-Fi реши да вземе тези разработки от света на телекомуникационните оператори и да ги пренесе в света на корпоративните мрежи. Основната задача беше преходът към използването на елементи с по-високо качество, като филтри и осцилатори.

Защо ни беше толкова трудно да работим в старите MRC кодировки със или без намеса? Тъй като механизмът за формиране на лъч MVDR (Минимална вариация без изкривявания) драстично увеличи броя на грешките, веднага щом се опитахме да подравним голям брой предавателни точки. OFDMA доказа, че проблемът е разрешим.

Борбата срещу намесата вече се основава на математиката. Ако комуникационният прозорец е достатъчно дълъг, получената динамична намеса води до проблеми. Новите алгоритми на работа ви позволяват да се измъкнете от тях, изключвайки влиянието не само на смущенията, свързани с предаването на Wi-Fi, но и на всички други, които се появяват в този диапазон.

Благодарение на адаптивното потискане на смущенията можем да спечелим до 11 dB печалба дори в сложна хетерогенна среда. Използването на собствени алгоритмични решения на Huawei направи възможно постигането на сериозна оптимизация точно там, където е необходимо – в решенията за закрито. Това, което е добро в 5G, не е непременно добро в среда с Wi-Fi 6. Масовите подходи MIMO и MU-MIMO се различават между решенията на закрито и на открито. Където е необходимо, е подходящо да се използват скъпи решения, като например 5G. Но са необходими и други опции, като Wi-Fi 6, способен да осигури латентността и производителността, които очакваме от операторите.

Ние заимстваме от тях инструментите, които ще бъдат полезни за нас като корпоративни потребители, всичко това, за да осигурим физическа среда, на която може да се разчита.

***

Между другото, не забравяйте за нашите многобройни уеб семинари за новостите на Huawei 2020, проведени не само в рускоезичния сегмент, но и на глобално ниво. Списък с уебинари за следващите седмици е достъпен на връзка.

Източник: www.habr.com