Huawei se u svom razvoju oslanja na Wi-Fi 6. A pitanja kolega i kupaca o novoj generaciji standarda potaknula su nas da napišemo post o teorijskim osnovama i fizičkim principima koji su ugrađeni u njega. Pređimo sa istorije na fiziku, pogledajmo bliže zašto su potrebne OFDMA i MU-MIMO tehnologije. Hajde da razgovaramo i o tome kako je fundamentalno redizajniran fizički medij za prenos podataka omogućio postizanje garantovane propusnosti kanala i takvo smanjenje ukupnog nivoa kašnjenja da su ona postala uporediva sa "operatorskim". I to unatoč činjenici da su moderne mreže bazirane na 5G skuplje (u prosjeku 20-30 puta) od sličnih zatvorenih mreža na Wi-Fi 6.
Za Huawei, tema nikako nije prazna: Wi-Fi 6 rješenja su među našim najprobojnijim proizvodima u 2020. godini, u koje su uložena ogromna sredstva. Da navedemo samo jedan primjer, istraživanja u oblasti nauke o materijalima omogućila su nam da pronađemo leguru čija je upotreba u radio elementima pristupne tačke povećala omjer signal-šum za 2-3 dB: skidamo kape u pogledu Doronu Ezriju (Doron Ezri) za ovo postignuće.
Malo istorije
Ima smisla računati istoriju Wi-Fi-ja od 1971. godine, kada su na Univerzitetu Hawaii, profesor Norman Abramson i grupa kolega razvili, izgradili i pokrenuli ALOHAnet bežičnu mrežu za paketni prenos podataka.
Godine 1980. odobrena je grupa standarda i protokola IEEE 802, koji opisuju organizaciju dva donja sloja sedmoslojnog OSI mrežnog modela. Prije izlaska prve verzije 802.11 trebalo je čekati dugih 17 godina.
Usvajanjem standarda 1997 802.11. godine, dvije godine prije pojave Wi-Fi alijanse, prva generacija danas najpopularnije bežične tehnologije zakoračila je u veliki svijet.
IEEE 802 Wi-Fi generacije
802.11b je postao prvi standard koji su proizvođači opreme zaista masovno podržavali. Kao što vidite, učestalost inovacija od kraja XNUMX. veka je prilično stabilna: kvalitativne promene zahtevaju vreme. Posljednjih godina glavni posao je obavljen na poboljšanju fizičkog okruženja prijenosa signala. Kako bismo bolje razumjeli savremene probleme Wi-Fi mreže, osvrnimo se na njegove fizičke osnove.
Prisjetimo se osnova!
Radio talasi su poseban slučaj elektromagnetnih talasa – koji se šire od izvora smetnji u električnom i magnetnom polju. Karakteriziraju ih tri glavna parametra: valni vektor, kao i vektori električnog i magnetskog polja. Sve tri su međusobno okomite jedna na drugu. U ovom slučaju, uobičajeno je da se frekvencijom talasa naziva broj ponavljajućih oscilacija koje se uklapaju u jedinicu vremena.
Sve su to dobro poznate činjenice. Međutim, da bismo došli do kraja, moramo krenuti od samog početka.
Na uslovnoj skali frekvencijskih opsega elektromagnetnog zračenja, radio opseg zauzima najniži (niskofrekventni) dio. Uključuje elektromagnetne talase sa frekvencijom oscilovanja od 3 Hz do 3000 GHz. Svi ostali opsezi, uključujući vidljivo svjetlo, imaju mnogo višu frekvenciju.
Što je frekvencija veća, to se više energije može prenijeti u radio val, međutim, u isto vrijeme, on se gore savija oko prepreka i brže se raspada. I obrnuto je istina. Uzimajući u obzir ove karakteristike, odabrana su dva glavna frekvencijska opsega za rad Wi-Fi - 2,4 GHz (frekvencijski opseg od 2,4000 do 2,4835 GHz) i 5 GHz (frekvencijski opsezi 5,170-5,330, 5,490-5,730 i 5,735-5,835 GHz).
Radio talasi se šire u svim pravcima, a kako poruke ne bi uticale jedna na drugu usled efekta smetnji, uobičajeno je da se frekvencijski opseg podeli na zasebne uske segmente - kanale sa jednim ili drugim . Gornji dijagram pokazuje da će susjedni kanali 1 i 2 sa propusnim opsegom od 20 MHz interferirati jedan s drugim, ali 1 i 6 neće.
Signal unutar kanala se prenosi pomoću radio talasa na određenoj frekvenciji nosioca. Za prijenos informacija, parametri valova mogu frekvencija, amplituda ili faza.
Razdvajanje kanala u Wi-Fi frekvencijskim opsezima
Frekvencijski opseg od 2,4 GHz podijeljen je na 14 djelomično preklapajućih kanala optimalne širine - 20 MHz. Nekada se smatralo da je to dovoljno za organizovanje složene bežične mreže. Ubrzo je postalo jasno da se kapacitet opsega brzo iscrpljuje, pa mu je dodat opseg od 5 GHz, čiji je spektralni kapacitet mnogo veći. U njemu je, pored 20 MHz, moguće dodijeliti kanale širine 40 i 80 MHz.
Da bi se dodatno povećala efikasnost korišćenja radiofrekventnog spektra, sada se široko koristi tehnologija ortogonalnog frekventnog multipleksiranja ().
Podrazumijeva korištenje, uz frekvenciju nosioca, još nekoliko podnosećih frekvencija u istom kanalu, što omogućava obavljanje paralelnog prijenosa podataka. OFDM vam omogućava da distribuirate promet na prilično zgodan "granularni" način, ali zbog svoje poštovane starosti zadržava niz značajnih nedostataka. Među njima su i principi rada pomoću CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) mrežnog protokola, prema kojem u određenim trenucima samo jedan korisnik može raditi na jednom nosiocu i podnosiocu.
Prostorni tokovi
Važan način za povećanje kapaciteta bežične mreže je korištenje prostornih tokova.
Pristupna tačka nosi nekoliko radio modula (jedan, dva ili više) koji su povezani na više antena. Ove antene zrače prema određenoj šemi i modulaciji, a vi i ja primamo informacije koje se prenose preko bežičnog medija. Prostorni tok se može formirati između određene fizičke antene (radio modula) pristupne tačke i korisničkog uređaja. Zbog toga se ukupna količina informacija koje se prenose sa pristupne tačke povećava za višestruki broj tokova (antena).
Prema trenutnim standardima, do četiri prostorna toka se mogu implementirati u opsegu 2,4 GHz, do osam u opsegu od 5 GHz.
Ranije, kada smo radili u opsezima od 2,4 i 5 GHz, fokusirali smo se samo na broj radio modula. Prisustvo drugog radio modula dalo je dodatnu fleksibilnost, jer je omogućavao starim pretplatničkim uređajima da rade na frekvenciji od 2,4 GHz, a novim na frekvenciji od 5 GHz. Pojavom trećeg i narednih radio modula pojavili su se neki problemi. Elementi koji zrače imaju tendenciju međusobnog stvaranja smetnji, što povećava cijenu uređaja zbog potrebe za boljim dizajnom i opremanjem pristupne točke kompenzacijskim filterima. Tako je tek nedavno postalo moguće podržati 16 prostornih tokova istovremeno po pristupnoj tački.
Brzina praktična i teorijska
Zbog OFDM mehanizama, nismo mogli dobiti maksimalnu propusnost mreže. Teorijski proračuni za praktičnu implementaciju OFDM-a rađeni su jako davno i to samo u odnosu na idealna okruženja, gdje se očekivao prilično visok omjer signal-šum (SNR) i vjerovatnoća greške u bitu (BER). U današnjim uslovima jake buke svih radio frekvencijskih spektra koji nas zanimaju, indikatori propusnog opsega mreža zasnovanih na OFDM-u su depresivno mali. I protokol je donedavno nastavio da nosi ove nedostatke, sve dok OFDMA (ortogonalna frekvencijska podjela višestrukog pristupa) tehnologija nije došla u pomoć. O njoj - malo dalje.
Hajde da pričamo o antenama
Kao što znate, svaka antena ima pojačanje, ovisno o čijoj vrijednosti se formira prostorni obrazac prostiranja signala (beamforming) sa određenim područjem pokrivanja (ne uzimamo u obzir ponovnu refleksiju signala itd.). To je ono na šta su se dizajneri uvijek oslanjali kada je u pitanju tačno gdje treba postaviti pristupne tačke. Dugo vremena je oblik uzorka ostao nepromijenjen i samo se povećavao ili smanjivao srazmjerno karakteristikama antene.
Moderni antenski elementi postaju sve upravljiviji i omogućavaju vam da dinamički mijenjate prostorni obrazac širenja signala u realnom vremenu.
Na lijevoj slici iznad prikazan je princip širenja radio valova korištenjem standardne omnidirekcione antene. Povećanjem jačine signala mogli smo samo promijeniti radijus pokrivenosti bez mogućnosti da značajno utječemo na kvalitetu korištenja kanala - KQI (Key Quality Indicators). A ovaj pokazatelj je izuzetno važan pri organizaciji komunikacije u uvjetima čestog kretanja pretplatničkog uređaja u bežičnom okruženju.
Rješenje problema bilo je korištenje velikog broja malih antena, na kojima se opterećenje može podesiti u realnom vremenu, formirajući obrasce propagacije u zavisnosti od prostornog položaja korisnika.
Tako je bilo moguće približiti se upotrebi MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) tehnologije. Uz njegovu pomoć, pristupna točka u bilo kojem trenutku stvara fluksove zračenja usmjerene posebno prema pretplatničkim uređajima.
Od fizike do 802.11 standarda
Kako su Wi-Fi standardi evoluirali, principi rada sa fizičkim slojem mreže su se promijenili. Korištenje drugih mehanizama modulacije omogućilo je – počevši od verzija 802.11g/n – da se u vremenski slot uklopi mnogo više informacija i, shodno tome, rad sa velikim brojem korisnika. Između ostalog, to je postignuto korištenjem prostornih tokova. A novootkrivena fleksibilnost u smislu širine kanala omogućila je generiranje više resursa za MIMO.
Wi-Fi 7 bi trebao biti odobren sljedeće godine. Šta će se promijeniti njegovim dolaskom? Pored uobičajenog povećanja brzine i dodavanja opsega od 6 GHz, biće moguće raditi sa širokim agregiranim kanalima, kao što je 320 MHz. Ovo je posebno zanimljivo u kontekstu industrijske primjene.
Wi-Fi 6 Teoretski propusni opseg
Teorijska formula za izračunavanje nominalne brzine Wi-Fi 6 je prilično komplicirana i ovisi o mnogim parametrima, počevši od broja prostornih tokova i završavajući informacijama koje možemo staviti u podnosač (ili podnositelje, ako ih ima nekoliko) po jedinici vremena.
Kao što vidite, mnogo zavisi od prostornih tokova. Ali ranije, povećanje njihovog broja u kombinaciji sa upotrebom STC (prostorno-vremenskog kodiranja) i MRC (kombinacija maksimalnog omjera) pogoršalo je performanse bežičnog rješenja u cjelini.
Nove ključne tehnologije fizičkog sloja
Pređimo na ključne tehnologije fizičkog sloja - i počnimo s prvim slojem OSI mrežnog modela.
Podsjetimo da OFDM koristi određeni broj podnosaca koji su, bez utjecaja jedni na druge, sposobni prenijeti određenu količinu informacija.
U primjeru koristimo opseg od 5,220 GHz, koji ima 48 pod-kanala. Agregacijom ovog kanala dobijamo veći broj podnosača, od kojih svaki koristi svoju modulacionu šemu.
Wi-Fi 5 koristi kvadratnu modulaciju 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), koja vam omogućava da unutar frekvencije nosioca u jednom vremenskom slotu formirate polje od 16 x 16 tačaka koje se razlikuju po amplitudi i fazi. Nedostatak je što samo jedna stanica može emitovati na frekvenciji nosioca u bilo kojem trenutku.
Ortogonalno frekvencijsko multipleksiranje (OFDMA) dolazi iz svijeta mobilnih operatera, širi se istovremeno sa LTE-om i koristi se za organizaciju downlinka (komunikacijskog kanala prema pretplatniku). Omogućava vam da radite sa kanalom na nivou takozvanih resursnih jedinica. Ove jedinice pomažu da se blok razbije na određeni broj komponenti. U okviru bloka ne možemo striktno raditi s jednim elementom koji zrače (korisnik ili pristupna tačka) u svakom trenutku, već kombinirati desetine elemenata. To vam omogućava da postignete izvanredne rezultate.
Lako povezivanje kanala u Wi-Fi 6
Povezivanje kanala u Wi-Fi 6 omogućava vam da dobijete kombinovane kanale širine od 20 do 160 MHz. Štaviše, veza ne mora biti uspostavljena u obližnjim dometima. Na primjer, jedan blok se može uzeti iz opsega 5,17 GHz, a drugi iz opsega 5,135 GHz. Ovo vam omogućava da fleksibilno izgradite radio okruženje čak iu prisustvu jakih faktora smetnji ili u blizini drugih stanica koje stalno emituju.
Od SIMO do MIMO
MIMO metoda nije uvijek bila s nama. Nekada su mobilne komunikacije morale biti ograničene na SIMO mod, što je značilo da pretplatnička stanica ima nekoliko antena koje su istovremeno radile za primanje informacija.
MU-MIMO je dizajniran za prijenos informacija korisnicima koristeći cjelokupni postojeći fond antena. Ovo uklanja ograničenja koja su prethodno nametnuta CSMA / CA protokolom povezana sa slanjem tokena pretplatničkim uređajima za prijenos. Sada su korisnici ujedinjeni u grupu i svaki član grupe dobija svoj deo resursa antenskog fonda pristupne tačke, i ne čeka u redu.
Beamforming
Važno pravilo rada MU-MIMO je održavanje takvog načina rada antenskog fonda, koji ne bi doveo do međusobnog preklapanja radio talasa i gubitka informacija usled sabiranja faza.
Ovo zahtijeva složene matematičke proračune na strani pristupne točke. Ako terminal podržava ovu funkciju, MU-MIMO mu omogućava da pristupnoj tački kaže koliko kašnjenja prima signal na svakoj određenoj anteni. A pristupna tačka, zauzvrat, prilagođava svoje antene tako da formira optimalno usmereni snop.
Šta nam to uopšte daje?
Bijeli krugovi sa brojevima u tabeli označavaju trenutne scenarije za korištenje prethodnih generacija Wi-Fi-ja. Plavi krugovi (pogledajte gornju ilustraciju) opisuju mogućnosti Wi-Fi 6, a sivi krugovi su stvar bliske budućnosti.
Glavne prednosti koje donose nova rješenja sa OFDMA podrškom su povezane sa jedinicama resursa implementiranim na nivou sličnom TDM (Time Division Multiplexing). To ranije nije bio slučaj sa Wi-Fi mrežom. Ovo vam omogućava da jasno kontrolišete dodijeljeni opseg, osiguravajući minimalno vrijeme prolaska signala kroz medij i potreban nivo pouzdanosti. Na sreću, niko ne sumnja da je potrebno poboljšati pokazatelje pouzdanosti Wi-Fi mreže.
Istorija se kreće spiralno, a trenutna situacija je slična onoj koja se svojevremeno razvila oko Etherneta. Čak i tada se utvrdilo mišljenje da CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) prenosni medij ne pruža nikakvu zagarantovanu propusnost. I tako se nastavilo sve do prelaska na IEEE 802.3z.
Što se tiče općih obrazaca korištenja, kao što možete vidjeti, sa svakom generacijom Wi-Fi-ja, scenariji korištenja se množe, sve osjetljiviji na kašnjenja, općenito i pouzdanost.
I opet o fizičkom okruženju
Pa, sada o tome kako se formira novo fizičko okruženje. Kada se koristi CSMA / CA i OFDM, povećanje broja aktivnih tačaka (Active STA) dovelo je do činjenice da je propusnost kanala od 20 MHz ozbiljno pala. To je bilo zbog onoga što je već pomenuto: sa ne najnovijim tehnologijama STC (prostorno-vremensko kodiranje) i MRC (kombinacija maksimalnog omjera).
OFDMA zbog upotrebe resursnih jedinica može efikasno komunicirati sa udaljenim stanicama i stanicama male snage. Dobijamo priliku da radimo na istom opsegu operatera sa korisnicima koji troše različite količine resursa. Jedan korisnik može zauzeti jednu jedinicu, a drugi sve ostale.
Zašto ranije nije bilo OFDMA?
I na kraju, glavno pitanje: zašto ranije nije bilo OFDMA? Začudo, sve se svelo na novac.
Dugo se vjerovalo da bi cijena Wi-Fi modula trebala biti minimalna. Kada je protokol pušten u komercijalnu upotrebu 1997. godine, odlučeno je da troškovi proizvodnje takvog modula ne mogu biti veći od 1 dolara. Kao rezultat toga, razvoj tehnologije je krenuo suboptimalnim putem. Ovdje ne uzimamo u obzir operatera LTE, gdje se OFDMA koristi dosta dugo.
Na kraju, Wi-Fi radna grupa je odlučila da ove razvoje preuzme iz svijeta telekom operatera i prenese ih u svijet poslovnih mreža. Glavni zadatak je bio prelazak na upotrebu kvalitetnijih elemenata, kao što su filteri i oscilatori.
Zašto nam je bilo tako teško raditi u starim MRC kodovima sa ili bez smetnji? Zato što je MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) mehanizam za formiranje snopa dramatično povećao broj grešaka čim smo pokušali da uskladimo veliki broj prenosnih tačaka. OFDMA je dokazao da je problem rješiv.
Borba protiv smetnji je sada zasnovana na matematici. Ako je komunikacijski prozor dovoljno dug, rezultirajuća dinamička smetnja dovodi do problema. Novi algoritmi rada omogućavaju vam da se udaljite od njih, isključujući utjecaj ne samo smetnji povezanih s prijenosom Wi-Fi-ja, već i bilo koje druge koje se javljaju u ovom rasponu.
Zahvaljujući adaptivnoj supresiji smetnji, možemo dobiti do 11 dB pojačanja čak iu složenom heterogenom okruženju. Korištenje Huaweijevih vlastitih algoritamskih rješenja omogućilo je postizanje ozbiljne optimizacije upravo tamo gdje je to potrebno - u rješenjima za zatvorene prostore. Ono što je dobro u 5G nije nužno dobro u okruženju Wi-Fi 6. Masivni MIMO i MU-MIMO pristupi razlikuju se između rješenja za zatvorene i vanjske prostore. Gdje je potrebno, prikladno je koristiti skupa rješenja, kao u 5G. Ali su potrebne i druge opcije, kao što je Wi-Fi 6, sposoban da isporuči kašnjenje i performanse koje očekujemo od operatera.
Od njih posuđujemo alate koji će nam kao korporativnim potrošačima biti od koristi, a sve kako bismo osigurali fizičko okruženje na koje se možemo osloniti.
***
Usput, ne zaboravite na naše brojne webinare o Huawei 2020 novitetima, koji se održavaju ne samo u segmentu ruskog govornog područja, već i na globalnom nivou. Lista webinara za naredne sedmice dostupna je na .
izvor: www.habr.com