🥇Что нас ждет в Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Недавно на рынок вышли устройства, поддерживающие технологию Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), о которой много говорят. Но мало кто знает, что уже сейчас ведётся разработка нового поколения технологии Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). О том, что будет представлять собой Wi-Fi 7, в этой статье.

Предыстория

В сентябре 2020 года мы будем отмечать 30-летие проекта IEEE 802.11, который существенно повлиял на нашу жизнь. В настоящее время технология Wi-Fi, определяемая семейством стандартов IEEE 802.11, является самой популярной беспроводной технологией, используемой для подключения к интернету: Wi-Fi передает более половины пользовательского трафика. В то время как сотовые технологии делают ребрендинг каждое десятилетие, например, заменяя название 4G на 5G, для пользователей Wi-Fi повышение скорости передачи данных, а также внедрение новых услуг и новых функций происходят практически незаметно. Лишь немногие клиенты заботятся о буквах «n», «ac» или «ax», которые следуют за «802.11» на коробках оборудования. Но это не значит, что Wi-Fi не развивается.

Одним из доказательств развития Wi-Fi является резкое увеличение номинальных скоростей передачи данных: от 2 Мбит/с в версии 1997 г. до почти 10 Гбит/с в новейшем стандарте 802.11ax, также известном как Wi-Fi 6. Современный Wi-Fi достигает такого прироста производительности благодаря более быстрым сигнально-кодовым конструкциям, более широким каналам и использованию технологий MIMO.

Помимо основного направления высокоскоростных беспроводных локальных сетей, эволюция Wi-Fi включает в себя несколько нишевых проектов. Например, Wi-Fi HaLow (802.11ah) стал попыткой вывести Wi-Fi на рынок беспроводного Интернета вещей. Wi-Fi миллиметрового диапазона (802.11ad/ay) поддерживает номинальные скорости передачи данных до 275 Гбит/с, правда на очень небольшие расстояния.

Новые приложения и услуги, связанные с видеопотоками высокого разрешения, виртуальной и дополненной реальностью, играми, удаленным офисом и облачными вычислениями, а также необходимостью поддержки большого количества пользователей с интенсивным трафиком в беспроводных сетях требуют высокой производительности.

Цели Wi-Fi 7

В мае 2019 года подгруппа BE (TGbe) рабочей группы 802.11 комитета по стандартизации локальных и городских сетей начала работу над новым дополнением к стандарту Wi-Fi, которое увеличит номинальную пропускную способность более, чем до 40 Гбит/с в одном частотном канале «типичного» для Wi-Fi диапазона <= 7 ГГц. Хотя во многих документах фигурирует «максимальная пропускная способность не менее 30 Гбит/с», новый протокол физического уровня будет обеспечивать номинальную скорость свыше 40 Гбит/с.

Еще одним важным направлением разработки Wi-Fi 7 является поддержка приложений реального времени (игры, виртуальная и дополненная реальность, управление роботами). Примечательно, что хотя Wi-Fi по-особому обслуживает аудио- и видеотрафик, долгое время считалось, что обеспечение на уровне стандарта гарантированно малых задержек (единиц миллисекунд), также известное как Time-Sensitive Networking, в сетях Wi-Fi принципиально невозможно. В ноябре 2017 г. наш коллектив из ИППИ РАН и НИУ ВШЭ (не сочтите за пиар) выступил с соответствующим предложением в группе IEEE 802.11. Предложение вызвало большой интерес, и в июле 2018 года была запущена специальная подгруппа для дальнейшего изучения этого вопроса. Поскольку для поддержки приложений реального времени требуются как высокие номинальные скорости передачи данных, так и расширение функционала канального уровня, рабочая группа 802.11 решила разрабатывать методы поддержки приложений реального времени в рамках Wi-Fi 7.

Важным вопросом, связанным с Wi-Fi 7, является его сосуществование с технологиями сотовых сетей (4G/5G), разрабатываемыми 3GPP и работающими в тех же нелицензируемых полосах частот. Речь идет о LTE-LAA/NR-U. Для изучения проблем, связанных с сосуществованием Wi-Fi и сотовых сетей, IEEE 802.11 запустил Coexisting Standing Committee (Coex SC). Несмотря на многочисленные встречи и даже совместный семинар участников 3GPP и IEEE 802.11 в июле 2019 года в Вене, технические решения еще не были утверждены. Возможное объяснение такой бесплодной деятельности состоит в том, что как IEEE 802, так и 3GPP не хотят изменять свои собственные технологии, чтобы привести их в соответствие с другой. Таким образом, на данный момент не ясно, повлияют ли обсуждения в рамках Coex SC на стандарт Wi-Fi 7.

Процесс разработки

Хотя процесс разработки Wi-Fi 7 находится на самой начальной стадии, к настоящему времени было внесено около 500 предложений нового функционала для будущего Wi-Fi 7, также известного как IEEE 802.11be. Большая часть идей только обсуждаются в подгруппе be и решение по ним еще не было принято. Другие идеи были недавно одобрены. Ниже будет явно указано, какие предложения являются утвержденными, а какие только обсуждаются.

Изначально планировалось, что разработка основных новых механизмов завершится к марту 2021 года. Окончательный вариант стандарта ожидается к началу 2024 года. В январе 2020 в подгруппе 11be была выражена обеспокоенность тем, будет ли разработка соответствовать графику при нынешнем темпе работы. Чтобы ускорить процесс разработки стандарта, подгруппа согласилась выбрать небольшой набор высокоприоритетных функций, которые могут быть выпущены к 2021 году (Release 1), а остальные оставить на Release 2. Высокоприоритетные функции должны обеспечивать основной прирост производительности и включают в себя поддержку 320 МГц, 4K-QAM, очевидные улучшения OFDMA от Wi-Fi 6, MU-MIMO c 16 потоками.

Из-за коронавируса группа сейчас очно не собирается, но регулярно проводит телеконференции. Таким образом, разработка несколько замедлилась, но не прекратилась.

Детали технологии

Рассмотрим основные новшества Wi-Fi 7.

Новый протокол физического уровня является развитием протокола Wi-Fi 6 c двухкратным увеличением ширины полосы до 320 МГц, двухкратным увеличением числа пространственных потоков MU-MIMO, что увеличивает номинальную пропускную способность в 2×2 = 4 раза. Wi-Fi 7 также начинает использовать модуляцию 4K-QAM, что добавляет еще 20% к номинальной пропускной способности. Таким образом, Wi-Fi 7 будет обеспечивать номинальную скорость передачи данных в 2x2x1,2 = 4,8 раз выше по сравнению с Wi-Fi 6: максимальная номинальная пропускная способность Wi-Fi 7 составляет 9,6 Гбит/с х 4,8 = 46 Гбит/с. Кроме того, будет сделано революционное изменение в протоколе физического уровня, связанное с обеспечением совместимости с будущими версиями Wi-Fi, но оно останется незаметным для пользователей.
Изменение метода доступа к каналу для поддержки приложений реального времени будет проведено с учётом опыта IEEE 802 TSN для проводных сетей. Продолжающиеся обсуждения в комитете по стандартизации связаны с процедурой случайной отсрочки при доступе к каналу, категориями обслуживания трафика и, соответственно, отдельными очередями для трафика реального времени, а также политиками обслуживания пакетов.
Введенный в Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – метод доступа к каналу с разделением по времени и частоте (аналогичный тому, что используется в сетях 4G и 5G) – предоставляет новые возможности для оптимального распределения ресурсов. Однако в 11ax OFDMA недостаточно гибок. Во-первых, он позволяет точке доступа выделять для клиентского устройства только один ресурсный блок заранее определенного размера. Во-вторых, он не поддерживает прямую передачу между клиентскими станциями. Оба недостатка снижают спектральную эффективность. Кроме того, отсутствие гибкости унаследованного от Wi-Fi 6 OFDMA ухудшает производительность в плотных сетях и увеличивает задержку, что критично для приложений реального времени. 11be решит эти проблемы OFDMA.
Одним из утвержденных революционных изменений Wi-Fi 7 является встроенная поддержка одновременного использования нескольких параллельных соединений на различных частотах, которая очень полезна как для огромных скоростей передачи данных, так и для чрезвычайно низкой задержки. Хотя современные чипсеты уже могут использовать несколько соединений одновременно, например, в диапазоне 2.4 и 5 ГГц, эти соединения независимы, что ограничивает эффективность такой операции. В 11be будет найден такой уровень синхронизации между каналами, который позволяет эффективно использовать ресурсы канала и повлечёт существенные изменения в правилах протокола доступа к каналу.
Использованием очень широких каналов и большого числа пространственных потоков приводит к проблеме высоких накладных расходов, связанных с процедурой оценивания состояния канала, необходимой для MIMO и OFDMA. Эти накладные расходы сводят на нет весь выигрыш от повышения номинальных скоростей передачи данных. Ожидается, что процедура оценки состояния канала будет пересмотрена.
В контексте Wi-Fi 7 в комитете по стандартизации обсуждается использование некоторых «продвинутых» методов передачи данных. В теории эти методы повышают спектральную эффективность в случае повторных попыток передачи, а также при одновременных передачах в одном и том же или противоположных направлениях. Речь идет о гибридном автоматическом запросе повторения (HARQ), используемом сейчас в сотовых сетях, о режиме full-duplex и о неортогональном множественном доступе (NOMA). Эти методы хорошо изучены в литературе в теории, однако пока не ясно, окупит ли прирост производительности, который они обеспечивают, усилия, направленные на их реализацию.
- Использование HARQ осложнено следующей проблемой. В Wi-Fi для снижения накладных расходов пакеты склеиваются. В текущих версиях Wi-Fi доставка каждого пакета внутри склеенного подтверждается и, если подтверждение не приходит, передача пакета повторяется методами протокола доступа к каналу. HARQ переносит повторные попытки с канального на физический уровень, где пакетов больше нет, а есть кодовые слова, причём границы кодовых слов не совпадают с границей пакетов. Такая рассинхронизация усложняет реализацию HARQ в Wi-Fi.
- Что касается Full-Duplex, то в настоящее время ни в сотовых сетях, ни в сетях Wi-Fi нельзя одновременно в одном и том же частотном канале передавать данные и к точке доступа (базовой станции), и от неё. С технической точки зрения это связано с большой разницей в мощности передаваемого и принимаемого сигнала. Хотя существуют прототипы, сочетающие цифровое и аналоговое вычитание передаваемого сигнала из принятого, способные получить сигнал Wi-Fi во время своей передачи, выигрыш, который они могут дать на практике, может быть незначительный из-за того, что в каждый момент времени нисходящий поток не равен восходящему (в среднем «по больнице» нисходящий существенно больше). При этом такая двухсторонняя передача существенно усложнит протокол.
- Если для передачи нескольких потоков с использованием MIMO нужно иметь несколько антенн для отправителя и получателя, то в случае неортогонального доступа точка доступа может одновременно передавать данные двум получателям с одной антенны. Различные варианты неортогонального доступа включены в последние спецификации 5G. Прототип NOMA Wi-Fi был впервые создан в 2018 г. в ИППИ РАН (опять не сочтите за пиар). Он продемонстрировал прирост производительности 30-40%. Достоинствами разработанной технологии является её обратная совместимость: один из двух получателей может быть устаревшим устройством, не поддерживающим Wi-Fi 7. Вообще проблема обратной совместимости очень важна, так как в сети Wi-Fi могут одновременно работать устройства различных поколений. В настоящее время несколько команд в мире анализируют эффективность от совместного использования NOMA и MU-MIMO, результаты которых определят дальнейшую судьбу подхода. Мы также продолжаем работу над прототипом: его очередная версия будет представлена на конференции IEEE INFOCOM в июле 2020 г.
Наконец, еще одним важным нововведением, но с неясной судьбой, является скоординированная работа точек доступа. Хотя многие поставщики имеют свои собственные централизованные контроллеры для корпоративных сетей Wi-Fi, возможности таких контроллеров были, как правило, ограничены настройкой долгосрочных параметров и выбором канала. Комитет по стандартизации обсуждает более тесное сотрудничество между соседними точками доступа, которое включает в себя скоординированные планирование передач, beamforming (направленную передачу сигнала) и даже распределенные системы MIMO. Некоторые из рассматриваемых подходов используют последовательное подавление помех (примерно то же, что и в NOMA). Хотя подходы для координации 11be еще не проработаны, нет сомнения, что стандарт разрешит точкам доступа разных производителей координировать между собой расписание передач, чтобы снизить взаимную интерференцию. Что касается других, более сложных, подходов (например, распределенное MU-MIMO), то их внедрить в стандарт будет сложнее, хотя отдельные члены группы полны решимости сделать это в рамках Release 2. Вне зависимости от исхода судьба методов координации точек доступа туманна. Даже будучи включёнными в стандарт, они могут не дойти до рынка. Похожее случалось и раньше при попытке навести порядок в передачах Wi-Fi c помощью таких решений, как HCCA (11e) и HCCA TXOP Negotiation (11be).

Резюмируя, кажется, что большинство предложений, связанных с первыми пятью группами, станут частью Wi-Fi 7, в то время как предложения, связанные с двумя последними группами, требуют значительных дополнительных исследований, чтобы доказать свою эффективность.