В своите разработки Huawei залага на Wi-Fi 6. И въпросите от колег и клиенти за новото поколение на стандарта ни подтикнаха да напишем пост за теоретичните основи и физическите принципи, залегнали в него. От историята ще преминем към физиката, детайлно ще разгледаме защо са нужни технологиите OFDMA и MU-MIMO. Ще говорим и за това как принципно преработената физическа среда за предаване на данни позволи да се постигне гарантирана пропускна способност на каналите и такова намаление на общото ниво на забавяне, че те станаха сравними с тези в мрежите на операторите. И това, като съвременните мрежи на база 5G са по-скъпи (средно 20–30 пъти) от подобни по възможности indoor мрежи на Wi-Fi 6.
За Huawei темата не е празна: решенията с поддръжка на Wi-Fi 6 са сред най-пробивните ни продукти през 2020 година, в които бяха вложени огромни ресурси. Ето само един пример: изследванията в областта на материалиознанието ни позволиха да подберем сплав, чийто използването в радиоелементите на точките за достъп увеличи съотношението „сигнал – шум“ с 2–3 dB: сваляме шапка в почитание пред Дороном Езри (Doron Ezri) за това постижение.
Няколко факта от историята
Историята на Wi-Fi има смисъл да се отмерва от 1971 година, когато в Университета на Хаваите професор Норман Абрамсон с група колеги разработиха, изградиха и стартираха безжична мрежа за пакетна предаване на данни ALOHAnet.
През 1980 година беше утвърдена група стандарти и протоколи IEEE 802, описващи организацията на двата долни слоя от седемслойната мрежова модел на OSI. До излизането на първата версия 802.11 оставяше да чакаме 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 безжично предаване на данни стъпи в големия свят.
Стандарт IEEE 802. Поколенията на Wi-Fi
Първият стандарт, който наистина беше масово подкрепен 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 разберем по-добре съвременната проблематика на Wi-Fi, ще се обърнем към неговите физически основи.
Нека си припомним основите!
Радиовълните са специален случай на електромагнитни вълни, които се разпространяват от източник на смущения в електрическото и магнитното поле. Те се характеризират с три основни параметъра: вълнов вектор, както и вектори на електрическото и магнитното полета. Всички три са взаимно перпендикулярни. Честотата на вълната се нарича броят на повторенията на колебанията в единица време.
Всичко това са общоизвестни факти. Въпреки това, за да достигнем до края, трябва да започнем от самото начало.
На условна скала на честотните диапазони на електромагнитното излъчване, радиодиапазонът заема най-ниската (нискочестотна) част. Той включва 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 същевременно тя по-трудно обикаля препятствия и по-бързо затихва. Обратно, по-ниската честота обикновено осигурява по-добро преминаване през препятствия. С оглед на тези особености, за работа с Wi-Fi са избрани два основни честотни диапазона — 2,4 GHz (частотна лента от 2,4000 до 2,4835 GHz) и 5 GHz (частотни 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 повлияват съобщенията едно от друго поради ефекта на интерференция, честотният диапазон обикновено се разделя на отделни тесни сегменти — канали с определена . На схемата по-горе се вижда, че съседните канали 1 и 2 с пропускателна ширина от 20 MHz ще взаимодействат помежду си, а 1 и 6 — не.
Сигналът в канала се предава с помощта на радиовълна на определена носеща честота. За предаване на информация параметрите на вълната могат да по честота, амплитуда или фаза.
Разделяне на каналите в честотните диапазони на Wi-Fi
Честотният диапазон 2,4 GHz е разделен на 14 частично припокриващи се канала с оптимална ширина от 20 MHz. В миналото се считаше, че това е напълно достатъчно за организиране на сложна безжична мрежа. Скоро стана ясно, че капацитетът на диапазона се изчерпва бързо, така че беше добавен диапазон 5 GHz, чийто спектрален капацитет е значително по-висок. В него, освен 20-мегахерцовите, е възможно да се отделят канали с ширина 40 и 80 MHz.
За допълнително повишаване на ефективността на използване на радиочестотния спектър в момента се прилага широко технологията на мултиплексиране с ортогонално честотно разделение на каналите ().
Тя предвижда използването на няколко поднесущи честоти наред с носещата честота в един и същи канал, което позволява паралелна предаване на данни. OFDM позволява разпределение на трафика по удобен „гранулярен“ начин, но поради своята напреднала възраст все пак 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 време на една носеща и поднесуща може да работи само един потребител.
Пространствени потоци
Важен начин за увеличаване на пропускателната способност на безжичната мрежа е използването на пространствени потоци.
Точката за достъп носи няколко радиомодула (един, два или повече), които са свързани с определен брой антени. Тези антени излъчват по определена схема и модулация, а ние получаваме информацията, предадена по 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 информация, предавана от точката за достъп, се увеличава многократно спрямо броя на потоките (антените).
Според настоящите стандарти в диапазона 2,4 GHz могат да се реализират до четири пространствени потока, а в диапазона 5 GHz — до осем.
До сега, когато работехме в диапазоните от 2.4 и 5 GHz, се фокусирахме само върху броя радиомодули. Наличието на втори радиомодул осигуряваше допълнителна гъвкавост, тъй като позволяваше на старите клиентски устройства да функционират на честота от 2.4 GHz, а на новите — на честота от 5 GHz. С появата на третия и последващите радиомодули възникнаха някои проблеми. Излъчващите елементи склонни да генерират интерференции помежду си, което повишава цената на устройството поради необходимостта от по-добро проектиране и оборудване на точката за достъп с компенсаторни 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, не можахме да постигнем максимална пропускна способност на мрежата. Теоретичните изчисления за практическото внедрение на OFDM бяха проведени преди много време и само за идеални среди, където предсказуемо се очакваше сравнително високо отношение „сигнал - шум“ (SNR) и вероятност за грешка на бит (BER). В съвременни условия с интензивно шумене на всички интересуващи ни радиочестотни спектри, показателите за пропускна способност на мрежи, основани на OFDM, са обидно ниски. И протоколът дълго време продължаваше да носи тези недостатъци, докато на помощ не дойде технологията OFDMA (ортогонален многопътен достъп). За нея — по-късно.
Нека поговорим за антените
Както знаете, всяка антена има коефициент на усилване, в зависимост от стойността, на която се формира пространственият патерн на разпространение на сигнала (beamforming) с определена площ на покритие (не вземаме предвид отразените сигнали и т.н.). Именно на това винаги разчитаха проектантите, когато обмисляха къде да бъдат поставени точките за достъп. Дълго време формата на патерна оставаше непроменена и само се увеличаваше или намаляваше пропорционално на характеристиките на антената.
Съвременните антенни елементи стават все по-управляеми и позволяват динамично изменение на пространствения патерн на разпространение на сигнала в реално време.
Вляво в горния ред е показан принцип на разпространение на радиовълни при използване на стандартна всенаправлена антена. Увеличавайки мощността на сигнала, можехме да променяме само радиуса на покритие, без възможност за значително влияние върху качеството на използване на канала — KQI (Ключови Индикатори за Качество). А този показател е изключително важен при организиране на комуникация в условия на често движение на абонатното устройство в безжична среда.
Решението на проблема стана прилагането на голям брой малки антени, натоварването на които може да се регулира в реално време, формирайки модели на разпространение в зависимост от пространственото положение на потребителя.
По този начин успяхме да се приближим до прилагането на технологията MU-MIMO (Мулти-Юзър Мултипл Инпут, Мултипл Аутпут). С нейната помощ, точката за достъп в всеки момент създава потоци излъчване, насочени именно към абонатните устройства.
От физика към стандартите 802.11
С развитието на стандартите Wi-Fi се променяха принципите на работа с физическия слой на мрежата. Използването на други механизми за модулация даде възможност — започвайки от версиите 802.11g/n — да побираме в тайм-слота много повече информация и, съответно, да работим с по-голям брой потребители. Освен това, това се постигна и благодарение на използването на пространствени потоци. А новопридобитата гъвкавост относно ширината на канала позволи да се формират повече ресурси за MIMO.
Следващата година се планира утвърдването на стандарта Wi-Fi 7. Какво ще се промени с неговото идване? Освен обичайно увеличение на скоростта и добавяне на диапазона 6 GHz, ще се появи възможност за работа с широки агрегирани канали, като 320 MHz. Това е особено интересно в контекста на индустриалното приложение.
Теоретична пропускателна способност на Wi-Fi 6
Теоретичната формула за изчисление на номиналната скорост на работа на Wi-Fi 6 е достатъчно сложна и зависи от много параметри, започвайки от броя на пространствените потоци и завършвайки с информацията, която можем да вложим в поднесущата (или поднесущите, ако са няколко) за единица време.
Както виждате, много зависи от пространствените потоци. Всъщност преди увеличаването на тяхното количество, в комбинация с използването на STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining), работата на безжичното решение като цяло се влошаваше.
Нови ключови технологии на физическото ниво
Да преминем към ключовите технологии на физическото ниво – и да започнем с първото ниво на мрежовата модел OSI.
Нека припомним, че в OFDM се използва определен брой подносимост, които, без да се намесват една в друга, могат да предават известен обем информация.
В примера използваме диапазон от 5,220 GHz, включващ 48 подканала. Агрегирайки този канал, получаваме повече подносимости, на всяка от които се прилага своя модулационна схема.
В Wi-Fi 5 се използва квадратурна модулация 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), която позволява да се формира поле от 16 х 16 точки в един тайм-слот, различаващи се по амплитуда и фаза в рамките на носещата честота. Невъзможността е в това, че в всеки отделен момент само една станция може да извършва предаване на носещата честота.
Мултиплексинг с ортогонално честотно разделение на каналите (OFDMA) идва от света на мобилните оператори, разпространява се едновременно с LTE и се използва за организиране на downlink (канала за връзка с абонента). Това позволява работа с канала на ниво т. нар. ресурсни единици. Тези единици помагат да се раздели блокът на определен брой компоненти. В рамките на блока можем в всеки момент да не работим строго с един излъчващ елемент (потребител или точка на достъп), а да комбинираме десетки елементи. Това позволява да се постигнат забележителни резултати.
Просто свързване на каналите в Wi-Fi 6
Свързването на каналите (Channel Bonding) в Wi-Fi 6 позволява получаването на обединени канали с ширина от 20 до 160 MHz. Освен това не е необходимо свързването да се извършва в близки диапазони. Например, един блок може да бъде 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 в съседство с други постоянно излъчващи станции.
От SIMO до MIMO
Метод MIMO не всегда был с нами. Ранее мобильная связь ограничивалась режимом SIMO, предусматривающим наличие нескольких антенн у абонентской станции, работающих одновременно для получения информации.
MU-MIMO предназначен для передачи информации пользователям, используя весь доступный антенный ресурс. Это устраняет ограничения, накладываемые ранее протоколом CSMA/CA, связанные с отправкой абонентским устройствам токенов на передачу. Теперь пользователи объединяются в группы, и каждый член группы получает свою долю антенного ресурса точки доступа, а не ждет своей очереди.
Формирование радиолучи
Важным правилом работы MU-MIMO является поддержание такого режима работы антенного фонда, который исключает взаимное перекрытие радиоволн и потерю информации из-за наложения фаз.
Это требует сложных математических расчетов со стороны точки доступа. Если терминал поддерживает эту функцию, MU-MIMO позволяет ему сообщать точке доступа, с какой задержкой он получает сигнал на каждую отдельную антенну. А точка доступа, в свою очередь, подстраивает свои антенны для формирования оптимально направленного луча.
Что это дает нам в целом?
Белыми кружками с цифрами в таблице показаны текущие сценарии применения Wi-Fi предыдущих поколений. Синие кружки (см. иллюстрацию выше) описывают возможности Wi-Fi 6, а серые кружки — это будущее, которое не за горами.
Основные преимущества новых решений с поддержкой OFDMA связаны с ресурсными юнитами, реализованными на уровне, аналогичном TDM (Time Division Multiplexing). Ранее в Wi-Fi это отсутствовало. Это позволяет четко контролировать распределяемую полосу, обеспечивая минимальное время прохождения сигнала через среду и требуемый уровень надежности. Несомненно, показатели надежности Wi-Fi требуют улучшения.
История движется по спирали, и нынешняя ситуация напоминает ту, которая сложилась в свое время вокруг Ethernet. Тогда уже утвердилось мнение, что среда передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не гарантирует никакой пропускной способности. Это продолжалось до перехода на стандарт IEEE 802.3z.
Що се отнася до общите модели на приложения, както виждате, с всяко ново поколение Wi-Fi сценариите на употреба се умножават, ставайки все по-чувствителни към закъснения, общи и надеждност.
Отново за физическата среда
А сега за това, как се формира новата физическа среда. При използване на CSMA/CA и OFDM растежът на броя на активните точки (Active STA) води до сериозно намаляване на капацитета на 20-метровия канал. Това беше свързано с неперфектните технологии STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, използвайки ресурсни единици, може ефективно да взаимодейства с далечни и слаби станции. Получаваме възможност за работа в един и същи носещ диапазон с потребители, консумиращи различни обеми ресурси. Един потребител може да заеме една единица, а друг — всички останали.
Защо преди не е имало OFDMA?
И накрая, основният въпрос: защо преди не е имало OFDMA? Невероятно, но всичко опря до парите.
Дълго време се считаше, че цената на Wi-Fi модула трябва да бъде минимална. При стартиране на протокола в търговска експлоатация през 1997 година бе решено, че производствените разходи на такъв модул не могат да надвишават 1 $ . В резултат, развитието на технологията пое по неоптимален път. Тук не взимаме предвид операторския LTE, където OFDMA се използва вече 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 със старите кодировки MRC с интерференция или без нея? Защото механизмът за формиране на лъч MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) рязко увеличаваше броя на грешките, веднага щом се опитахме да комбинираме голям брой предаващи точки. OFDMA доказа, че проблемът е решим.
Борбата с интерференцията вече се основава на математиката. Ако времевият прозорец за предаване на информация е достатъчно дълъг, динамичната интерференция води до проблеми. Новите работни алгоритми позволяват да се избегнат тези проблеми, изключвайки влиянието не само на интерференцията, свързана с Wi-Fi предавания, но и на всяка друга, която възниква в този обхват.
Благодарение на адаптивната борба с интерференцията, можем да постигнем увеличение до 11 dB дори в сложна хетерогенна среда. Използването на собствени алгоритми на Huawei позволи да се постигне значителна оптимизация точно там, където е нужно — в решенията за закрито пространство. Това, което е добро за 5G, не е задължително добро и в среда на Wi-Fi 6. Подходите Massive MIMO и MU-MIMO се различават при решенията за закрито и открито пространство. Там, където е уместно, можем да използваме скъпи решения, подобно на 5G. Но са необходими и други опции, като Wi-Fi 6, които могат да осигурят забавяния и други показатели, от които сме свикнали да очакваме от операторите на комуникации.
Заемаме от тях инструментите, които ще са полезни за нас като корпоративни потребители, и всичко това с цел да осигурим физическа среда, на която можем да разчитаме.
***
Между другото, не забравяйте за нашите многобройни уебинари относно новостите на Huawei за 2020 година, провеждани не само в рускоговорящия сегмент, но и на глобално ниво. Списъкът на уебинарите за следващите седмици е достъпен на .
Източник: habr.com
