Глубокое погружение в принципы работы Wi-Fi 6: OFDMA и MU-MIMO

В своих разработках Huawei делает ставку на Wi-Fi 6. И вопросы от коллег и заказчиков о новом поколении стандарта подтолкнули нас к тому, чтобы написать пост о теоретических основах и физических принципах, заложенных в него. От истории перейдём к физике, подробно разберёмся, зачем нужны технологии OFDMA и MU-MIMO. Поговорим и о том, как принципиально переработанная физическая среда передачи данных позволила добиться гарантированной пропускной способности каналов и такого уменьшения общего уровня задержек, что они стали сопоставимы с «операторскими». И это при том, что современные сети на основе 5G дороже (в среднем в 20–30 раз) аналогичных по возможностям indoor-сетей на Wi-Fi 6.

Для Huawei тема отнюдь не праздная: решения с поддержкой Wi-Fi 6 — среди самых прорывных наших продуктов в 2020 году, в которые были вложены огромные ресурсы. Вот только один пример: исследования в области материаловедения позволили нам подобрать сплав, использование которого в радиоэлементах точки доступа увеличило соотношение «сигнал — шум» на 2–3 дБ: снимаем шляпу в почтении перед Дороном Эзри (Doron Ezri) за это достижение.

Немного истории

Историю Wi-Fi имеет смысл отсчитывать с 1971 года, когда в Университете Гавайев профессор Норман Абрамсон с группой коллег разработал, построил и запустил беспроводную сеть пакетной передачи данных ALOHAnet.

В 1980 году была утверждена группа стандартов и протоколов IEEE 802, описывающих организацию двух нижних слоёв семиуровневой сетевой модели OSI. До релиза первой версии 802.11 оставалось ждать долгих 17 лет.

С принятием в 1997 году стандарта 802.11, за два года до появления организации Wi-Fi Alliance, первое поколение самой популярной сегодня технологии беспроводной передачи данных шагнуло в большой мир.

Стандарт IEEE 802. Поколения Wi-Fi

Первым стандартом, по-настоящему массово поддержанным производителями оборудования, стал 802.11b. Как видите, частота нововведений с конца XX века была достаточно стабильной: для качественных изменений требуется время. В последние годы основная работа велась над улучшением физической среды передачи сигнала. Для того чтобы лучше понять современную проблематику Wi-Fi, обратимся к его физическим основам.

Вспомним основы!

Радиоволны являются частным случаем электромагнитных волн — распространяющихся от источника возмущений электрического и магнитного поля. Они характеризуются тремя основными параметрами: волновым вектором, а также векторами напряжённости электрического и магнитного полей. Все три взаимно перпендикулярны между собой. Частотой волны при этом принято называть количество повторяющихся колебаний, укладывающихся в единицу времени.

Всё это общеизвестные факты. Однако чтобы дойти до конца, начать мы вынуждены с самого начала.

На условной шкале частотных диапазонов электромагнитного излучения радиодиапазон занимает самую нижнюю (низкочастотную) часть. К нему относятся электромагнитные волны с частотой колебаний от 3 Гц до 3000 ГГц. Все прочие диапазоны, включая видимый свет, имеют гораздо более высокую частоту.

Чем выше частота, тем большую энергию можно сообщить радиоволне, однако вместе с тем она хуже огибает препятствия и быстрее затухает. Верно и обратное. С учётом этих особенностей для работы Wi-Fi были выбраны два основных частотных диапазона — 2,4 ГГц (полоса частот от 2,4000 до 2,4835 ГГц) и 5 ГГц (полосы частот 5,170—5,330, 5,490—5,730 и 5,735—5,835 ГГц).

Радиоволны распространяются во все стороны, и для того, чтобы сообщения не влияли друг на друга из-за эффекта интерференции, частотную полосу принято разбивать на отдельные узкие отрезки — каналы с той или иной полосой пропускания. На схеме выше видно, что находящиеся по соседству каналы 1 и 2 с полосой пропускания 20 МГц будут мешать друг другу, а 1 и 6 — не будут.

Сигнал внутри канала передаётся с помощью радиоволны на определённой несущей частоте. Для передачи информации параметры волны могут модулироваться по частоте, амплитуде или фазе.

Разделение каналов в частотных диапазонах Wi-Fi

Частотный диапазон 2,4 ГГц разделён на 14 частично накладывающихся друг на друга каналов оптимальной ширины — 20 МГц. Когда-то считалось, что этого вполне достаточно для организации сложной беспроводной сети. Вскоре выяснилось, что ёмкость диапазона стремительно исчерпывается, так что к нему был добавлен диапазон 5 ГГц, спектральная ёмкость которого гораздо выше. В нём, помимо 20-мегагерцовых, возможно выделение каналов шириной 40 и 80 МГц.

Для дополнительного повышения эффективности использования радиочастотного спектра в настоящее время широко применяется технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).

Она подразумевает использование наряду с несущей частотой ещё и нескольких поднесущих частот в том же канале, что даёт возможность осуществлять параллельную передачу данных. OFDM позволяет распределять трафик достаточно удобным «гранулярным» способом, но в силу своего почтенного возраста сохраняет ряд существенных минусов. Среди них принципы работы по сетевому протоколу CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), в соответствии с которыми в определённые моменты времени на одной несущей и поднесущей может работать только один пользователь.

Пространственные потоки

Важный способ увеличить пропускную способность беспроводной сети — использование пространственных потоков.

Точка доступа несёт на себе несколько радиомодулей (один, два или более), которые подключены к некоторому количеству антенн. Эти антенны излучают по определённой схеме и модуляции, и мы с вами получаем информацию, переданную по беспроводной среде. Пространственный поток может формироваться между конкретной физической антенной (радиомодулем) точки доступа и пользовательским устройством. Благодаря этому общий объём передаваемой от точки доступа информации увеличивается кратно количеству потоков (антенн).

По текущим стандартам в диапазоне 2,4 ГГц можно реализовать до четырёх пространственных потоков, в диапазоне 5 ГГц — до восьми.

Прежде при работе в диапазонах 2,4 и 5 ГГц мы ориентировались только на количество радиомодулей. Наличие второго радиомодуля давало дополнительную гибкость, так как позволяло старым абонентским устройствам функционировать на частоте 2,4 ГГц, а новым — на частоте 5 ГГц. С появлением третьего и последующих радиомодулей возникали кое-какие проблемы. Излучающие элементы склонны создавать наводки друг на друга, что повышает стоимость устройства в связи с необходимостью более качественного проектирования и оснащения точки доступа компенсационными фильтрами. Так что только недавно стало возможным одновременное поддержание 16 пространственных потоков на одну точку доступа.

Скорость практическая и теоретическая

Из-за механизмов работы OFDM мы не могли получить максимальную пропускную способность сети. Теоретические расчеты для практического внедрения OFDM проводились очень давно и лишь применительно к идеальным средам, где предсказуемо ожидались достаточно высокий показатель отношения «сигнал — шум» (SNR) и вероятность ошибки на бит (BER). В современных условиях сильной зашумлённости всех интересующих нас радиочастотных спектров показатели пропускной способности сетей на основе OFDM удручающе малы. И протокол до последнего времени продолжал нести в себе эти недостатки, пока на помощь не подоспела технология OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). О ней — чуть дальше.

Поговорим про антенны

Как вы знаете, у каждой антенны есть коэффициент усиления, в зависимости от значения которого формируется пространственный паттерн распространения сигнала (beamforming) с определённой площадью покрытия (мы не учитываем переотражение сигналов и т. д.). Именно на это всегда опирались рассуждения проектировщиков касательно того, где именно должны быть размещены точки доступа. Долгое время форма паттерна оставалась неизменяемой и лишь увеличивалась или уменьшалась пропорционально характеристикам антенны.

Современные антенные элементы становятся всё более управляемыми и позволяют динамически изменять пространственный паттерн распространения сигнала в реальном времени.

Слева на рисунке вверху показан принцип распространения радиоволн при использовании стандартной всенаправленной антенны. Увеличивая мощность сигнала, мы могли изменять только радиус покрытия в отсутствие возможности значительно влиять на качество использования канала — KQI (Key Quality Indicators). А этот показатель чрезвычайно важен при организации связи в условиях частого перемещения абонентского устройства в беспроводной среде.

Решением проблемы стало применение большого количества маленьких антенн, нагрузку на которые можно регулировать в реальном времени, формируя паттерны распространения в зависимости от пространственного положения пользователя.

Таким образом удалось вплотную подойти к применению технологии MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). С её помощью точка доступа в любой момент времени формирует потоки излучения, направленные именно в сторону абонентских устройств.

От физики к стандартам 802.11

По мере развития стандартов Wi-Fi менялись принципы работы с физическим слоем сети. Использование других механизмов модуляции дало возможность — начиная с версий 802.11g/n — вмещать в тайм-слот гораздо большее количество информации и, соответственно, работать с большим числом пользователей. Помимо прочего, это достигалось и благодаря использованию пространственных потоков. А новообретённая гибкость в отношении ширины канала позволила формировать большее количество ресурсов для MIMO.

На следующий год намечено утверждение стандарта Wi-Fi 7. Что же изменится с его приходом? Помимо привычного прироста скорости и добавления диапазона 6 ГГц появится возможность работать с широкими агрегированными каналами, такими как 320 МГц. Это особенно интересно в разрезе индустриального применения.

Теоретическая пропускная способность Wi-Fi 6

Теоретическая формула расчёта номинальной скорости работы Wi-Fi 6 достаточно сложна и зависит от многих параметров, начиная с количества пространственных потоков и заканчивая той информацией, которые мы можем вложить в поднесущую (или поднесущие, если их несколько) в единицу времени.

Как видите, от пространственных потоков зависит очень многое. А ведь прежде увеличение их количества в сочетании с использованием STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining) ухудшало работу беспроводного решения в целом.

Новые ключевые технологии физического уровня

Перейдём к ключевым технологиям физического уровня — и начнём с первого уровня сетевой модели OSI.

Напомним, что в OFDM используется определённое количество поднесущих, которые, не затрагивая друг друга, способны передавать некий объём информации.

В примере мы используем диапазон 5,220 ГГц, вмещающий в себя 48 подканалов. Агрегируя этот канал, мы получим большее количество поднесущих, на каждой из которых применяется своя схема модуляции.

В Wi-Fi 5 используется квадратурная модуляция 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), которая позволяет формировать в рамках несущей частоты в одном тайм-слоте поле 16 х 16 точек, различающихся по амплитуде и фазе. Неудобство заключается в том, что в каждый отдельный момент осуществлять передачу на несущей частоте может только одна станция.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) пришло из мира операторов мобильной связи, получило распространение одновременно с LTE и применяется для организации downlink (канала связи к абоненту). Оно позволяет работать с каналом на уровне так называемых ресурсных юнитов. Эти юниты помогают разбить блок на определённое количество компонентов. В рамках блока мы можем в каждый момент не работать строго с одним излучающим элементом (пользователем или точкой доступа), а комбинировать десятки элементов. Это позволяет добиваться примечательных результатов.

Простое соединение каналов в Wi-Fi 6

Соединение каналов (Channel Bonding) в Wi-Fi 6 позволяет получать объединённые каналы шириной от 20 до 160 МГц. Причём соединение не обязательно делать в близлежащих диапазонах. Например, один блок можно взять из диапазона 5,17 ГГц, а второй — из диапазона 5,135 ГГц. Это позволяет гибко строить радиосреду даже при наличии сильных интерференционных факторов или при соседстве с другими постоянно излучающими станциями.

От SIMO к MIMO

Метод MIMO был с нами не всегда. Когда-то мобильной связи приходилось ограничиваться режимом SIMO, который подразумевал наличие у абонентской станции нескольких антенн, одновременно работающих на получение информации.

MU-MIMO призван передавать информацию пользователям, используя весь текущий антенный фонд. Это снимает накладывавшиеся прежде протоколом CSMA/CA ограничения, связанные с отправкой абонентским устройствам токенов на передачу. Теперь пользователи объединяются в группу и каждый участник группы получает свою часть ресурса антенного фонда точки доступа, а не ждёт своей очереди.

Формирование радиолуча

Важным правилом работы MU-MIMO является поддержание такого режима работы антенного фонда, который не приводил бы к взаимному перекрытию радиоволн и потере информации из-за сложения фаз.

Это требует сложных математических расчётов на стороне точки доступа. Если терминал поддерживает эту функцию, MU-MIMO позволяет ему сообщать точке доступа, с какой задержкой он получает сигнал на каждую конкретную антенну. А 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 — дело недалёкого будущего.

Основные преимущества, которые приносят новые решения с поддержкой OFDMA, связаны с ресурсными юнитами, реализованными на уровне, аналогичном TDM (Time Division Multiplexing). Прежде в Wi-Fi такого не было. Это позволяет чётко контролировать выделяемую полосу, обеспечивая минимальное время прохождения сигнала через среду и требуемый уровень надёжности. Благо ни у кого не возникает сомнений в том, что показатели надёжности Wi-Fi нуждаются в улучшении.

История движется по спирали, и текущая ситуация похожа на ту, которая сложилась в своё время вокруг Ethernet. Уже тогда утвердилось мнение, что среда передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не обеспечивает никакой гарантированной пропускной способности. И так продолжалось вплоть до перехода на IEEE 802.3z.

Что касается общих моделей применения, то, как видите, с каждым поколением Wi-Fi множатся сценарии его использования, всё более чувствительные к задержкам, общему джиттеру и надёжности.

И снова о физической среде

Ну а теперь о том, за счёт чего формируется новая физическая среда. При использовании CSMA/CA и OFDM рост количества активных точек (Active STA) приводил к тому, что пропускная способность 20-мегагерцового канала серьёзно падала. Связано это было с тем, о чём уже упоминалось: с не самыми новыми технологиями STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA за счёт использования ресурсных юнитов может эффективно взаимодействовать с дальними и маломощными станциями. Мы получаем возможность работы в одном несущем диапазоне с пользователями, потребляющими разные объёмы ресурсов. Один пользователь может занимать один юнит, а другой — все остальные.

Почему раньше не было OFDMA?

И наконец, главный вопрос: почему раньше не было OFDMA? Как ни странно, всё упиралось в деньги.

Долгое время считалось, что цена Wi-Fi-модуля должна быть минимальной. При запуске протокола в коммерческую эксплуатацию в 1997 году было решено, что себестоимость производства такого модуля не может превышать $1. Как следствие, развитие технологии пошло по неоптимальному пути. Здесь мы не принимаем в расчёт операторский LTE, где OFDMA используется уже достаточно давно.

В конце концов рабочая группа по Wi-Fi решила взять эти наработки из мира операторов связи и перенести их в мир корпоративных сетей. Основной задачей стал переход на использование более качественных элементов, таких как фильтры и осцилляторы.

Почему нам было так сложно работать в старых кодировках MRC с интерференцией или без неё? Потому что механизм формирования луча MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) резко увеличивал число ошибок, как только мы пытались совместить большое количество передающих точек. OFDMA доказал, что проблема решаема.

Борьба с интерференцией теперь основана на математике. Если окно передачи информации достаточно длинное, возникающая динамическая интерференция приводит к проблемам. Новые алгоритмы работы позволяют уйти от них, исключая влияние не только интерференции, связанной с передачей Wi-Fi, но и любой другой, возникающей в этом диапазоне.

Благодаря адаптивной борьбе с интерференцией мы можем получить выигрыш до 11 дБ даже в сложной неоднородной среде. Использование собственных алгоритмических решений Huawei позволило добиться серьёзной оптимизации именно там, где нужно, — в indoor-решениях. То, что хорошо в 5G, не обязательно хорошо в среде Wi-Fi 6. Подходы Massive MIMO и MU-MIMO различаются в случае с indoor- и outdoor-решениями. Там, где требуется, уместно использовать дорогостоящие решения, как в 5G. Но необходимы и другие варианты, такие как Wi-Fi 6, способные обеспечить задержки и другие показатели, которых мы привыкли ожидать от операторов связи.

Мы заимствуем у них те инструменты, которые будут полезны для нас, как для корпоративных потребителей, и всё это для того, чтобы обеспечить физическую среду, на которую можно будет положиться.

***

Кстати, не забывайте про наши многочисленные вебинары по новинкам Huawei 2020 года, проводимые не только в русскоязычном сегменте, но и на глобальном уровне. Список вебинаров на ближайшие недели доступен по ссылке.

Источник: habr.com