En els seus desenvolupaments, Huawei es basa en el Wi-Fi 6. I les preguntes de col·legues i clients sobre la nova generació de l'estàndard ens van impulsar a escriure una publicació sobre els fonaments teòrics i els principis físics integrats en ell. Passem de la història a la física, analitzem més de prop per què calen les tecnologies OFDMA i MU-MIMO. Parlem també de com el mitjà de transmissió de dades físiques, fonamentalment redissenyat, va permetre aconseguir un rendiment del canal garantit i una reducció tal del nivell global de retards que es van convertir en comparables als "de l'operador". I això malgrat que les xarxes modernes basades en 5G són més cares (de 20 a 30 vegades de mitjana) que les xarxes interiors similars amb Wi-Fi 6.
Per a Huawei, el tema no és en cap cas un tema inactiu: les solucions Wi-Fi 6 es troben entre els nostres productes més innovadors el 2020, en què s'han invertit grans recursos. Per posar només un exemple, la investigació en el camp de la ciència dels materials ens va permetre trobar un aliatge l'ús del qual en els elements de ràdio del punt d'accés augmentava la relació senyal-soroll en 2-3 dB: ens traiem el barret respecte a Doron Ezri (Doron Ezri) per aquest assoliment.
Una mica d'història
Té sentit comptar la història de la Wi-Fi des de 1971, quan a la Universitat de Hawaii, el professor Norman Abramson i un grup de col·legues van desenvolupar, construir i llançar la xarxa de paquets de dades sense fil ALOHAnet.
L'any 1980 es va aprovar un grup d'estàndards i protocols IEEE 802, que descriu l'organització de les dues capes inferiors del model de xarxa OSI de set capes. Abans del llançament de la primera versió de 802.11 va haver d'esperar 17 anys.
Amb l'adopció de l'estàndard 1997 el 802.11, dos anys abans de l'aparició de la Wi-Fi Alliance, la primera generació de la tecnologia sense fils més popular d'avui va entrar al gran món.
Generacions de Wi-Fi IEEE 802
802.11b es va convertir en el primer estàndard que va rebre un suport realment massiu pels fabricants d'equips. Com podeu veure, la freqüència de les innovacions des de finals del segle XX ha estat força estable: els canvis qualitatius requereixen temps. En els darrers anys, s'ha dut a terme el treball principal per millorar l'entorn físic de la transmissió del senyal. Per tal d'entendre millor els problemes moderns de la Wi-Fi, passem als seus fonaments físics.
Recordem les bases!
Les ones de ràdio són un cas especial d'ones electromagnètiques, que es propaguen des d'una font de pertorbacions en els camps elèctrics i magnètics. Es caracteritzen per tres paràmetres principals: el vector d'ona, així com els vectors dels camps elèctric i magnètic. Tots tres són mútuament perpendiculars entre si. En aquest cas, s'acostuma a anomenar la freqüència d'una ona el nombre d'oscil·lacions repetitives que encaixen en una unitat de temps.
Tots aquests són fets coneguts. Tanmateix, per arribar al final, hem de començar des del principi.
A l'escala condicional dels rangs de freqüència de la radiació electromagnètica, el rang de ràdio ocupa la part més baixa (de baixa freqüència). Inclou ones electromagnètiques amb una freqüència d'oscil·lació de 3 Hz a 3000 GHz. Totes les altres bandes, inclosa la llum visible, tenen una freqüència molt més alta.
Com més gran sigui la freqüència, més energia es pot impartir a l'ona de ràdio, però, al mateix temps, s'inclina pitjor pels obstacles i decau més ràpidament. El contrari també és cert. Tenint en compte aquestes característiques, es van triar dos rangs de freqüències principals per al funcionament Wi-Fi: 2,4 GHz (banda de freqüència de 2,4000 a 2,4835 GHz) i 5 GHz (bandes de freqüència 5,170-5,330, 5,490-5,730 i 5,735-5,835 GHz).
Les ones de ràdio es propaguen en totes direccions i, per tal que els missatges no s'afectin mútuament a causa de l'efecte d'interferència, s'acostuma a dividir la banda de freqüència en segments estrets separats: canals amb un o un altre. . El diagrama anterior mostra que els canals adjacents 1 i 2 amb una amplada de banda de 20 MHz interferiran entre ells, però els 1 i 6 no ho faran.
El senyal dins del canal es transmet mitjançant una ona de ràdio a una determinada freqüència portadora. Per transmetre informació, els paràmetres d'ona poden freqüència, amplitud o fase.
Separació de canals en bandes de freqüència Wi-Fi
La banda de freqüència de 2,4 GHz es divideix en 14 canals parcialment superposats d'amplada òptima: 20 MHz. Una vegada es va pensar que això era suficient per organitzar una xarxa sense fil complexa. Aviat es va fer evident que la capacitat de la banda es va esgotar ràpidament, de manera que se li va afegir la banda de 5 GHz, la capacitat espectral de la qual és molt més gran. En ell, a més de 20 MHz, és possible assignar canals amb una amplada de 40 i 80 MHz.
Per augmentar encara més l'eficiència de l'ús de l'espectre de radiofreqüències, ara s'utilitza àmpliament la tecnologia de multiplexació per divisió de freqüència ortogonal ().
Implica l'ús, juntament amb la freqüència portadora, de diverses freqüències subportadores més en un mateix canal, la qual cosa permet realitzar la transmissió de dades en paral·lel. OFDM us permet distribuir el trànsit d'una manera "granular" força còmoda, però a causa de la seva venerable edat, conserva una sèrie d'inconvenients importants. Entre ells es troben els principis de funcionament mitjançant el protocol de xarxa CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), segons el qual en determinats moments només un usuari pot treballar en un operador i subportador.
Fluxos espacials
Una manera important d'augmentar la capacitat d'una xarxa sense fils és utilitzar fluxos espacials.
El punt d'accés porta diversos mòduls de ràdio (un, dos o més) connectats a diverses antenes. Aquestes antenes irradien segons un determinat esquema i modulació, i tu i jo rebem informació transmesa a través d'un mitjà sense fil. Es pot formar un flux espacial entre una antena física específica (mòdul de ràdio) del punt d'accés i el dispositiu de l'usuari. Per això, la quantitat total d'informació transmesa des del punt d'accés augmenta en un múltiple del nombre de fluxos (antenes).
Segons els estàndards actuals, es poden implementar fins a quatre fluxos espacials a la banda de 2,4 GHz, fins a vuit a la banda de 5 GHz.
Anteriorment, quan es treballava a les bandes de 2,4 i 5 GHz, ens vam centrar només en el nombre de mòduls de ràdio. La presència d'un segon mòdul de ràdio donava flexibilitat addicional, ja que permetia que els antics dispositius d'abonat funcionessin a una freqüència de 2,4 GHz, i els nous a una freqüència de 5 GHz. Amb l'arribada del tercer i posteriors mòduls de ràdio, van sorgir alguns problemes. Els elements radiants tendeixen a crear interferències entre si, la qual cosa augmenta el cost del dispositiu per la necessitat d'un millor disseny i equipar el punt d'accés amb filtres de compensació. Per tant, només recentment s'ha fet possible suportar 16 fluxos espacials simultàniament per punt d'accés.
Velocitat pràctica i teòrica
A causa dels mecanismes OFDM, no hem pogut obtenir l'amplada de banda màxima de la xarxa. Els càlculs teòrics per a la implementació pràctica d'OFDM es van dur a terme fa molt de temps i només en relació a entorns ideals, on s'esperava una relació senyal-soroll (SNR) i una probabilitat d'error de bits (BER) força alta. En les condicions actuals de fort soroll de tots els espectres de radiofreqüència que ens interessen, els indicadors d'amplada de banda de les xarxes basades en OFDM són deprimentadors. I el protocol fins fa poc va continuar amb aquestes mancances, fins que la tecnologia OFDMA (accés múltiple de divisió de freqüència ortogonal) va venir al rescat. Sobre ella, una mica més enllà.
Parlem d'antenes
Com sabeu, cada antena té un guany, en funció del valor del qual es forma un patró espacial de propagació del senyal (beamforming) amb una determinada àrea de cobertura (no tenim en compte la re-reflexió del senyal, etc.). Això és en què sempre han confiat els dissenyadors quan es tracta d'on s'han de col·locar els punts d'accés exactament. Durant molt de temps, la forma del patró es va mantenir sense canvis i només va augmentar o disminuir en proporció a les característiques de l'antena.
Els elements d'antena moderns són cada cop més controlables i us permeten canviar dinàmicament el patró espacial de propagació del senyal en temps real.
La figura de l'esquerra mostra el principi de propagació de les ones de ràdio mitjançant una antena omnidireccional estàndard. En augmentar la força del senyal, només podríem canviar el radi de cobertura sense la capacitat d'afectar significativament la qualitat de l'ús del canal: KQI (Key Quality Indicators). I aquest indicador és extremadament important a l'hora d'organitzar la comunicació en condicions de moviment freqüent del dispositiu d'abonat en un entorn sense fil.
La solució al problema va ser l'ús d'un gran nombre de petites antenes, la càrrega sobre les quals es pot ajustar en temps real, formant patrons de propagació en funció de la posició espacial de l'usuari.
Així, va ser possible apropar-se a l'ús de la tecnologia MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Amb la seva ajuda, el punt d'accés genera en qualsevol moment fluxos de radiació dirigits específicament als dispositius d'abonat.
De la física als estàndards 802.11
A mesura que els estàndards de Wi-Fi han evolucionat, els principis de treball amb la capa física de la xarxa han canviat. L'ús d'altres mecanismes de modulació va permetre, a partir de les versions 802.11g/n, encabir molta més informació a la franja horària i, en conseqüència, treballar amb un gran nombre d'usuaris. Entre altres coses, això es va aconseguir mitjançant l'ús de corrents espacials. I la nova flexibilitat en termes d'amplada del canal va permetre generar més recursos per a MIMO.
El Wi-Fi 7 està previst que s'aprovi l'any vinent. Què canviarà amb la seva arribada? A més de l'augment habitual de la velocitat i l'addició de la banda de 6 GHz, es podrà treballar amb canals agregats amplis, com ara 320 MHz. Això és especialment interessant en el context de les aplicacions industrials.
Wi-Fi 6 Ample de banda teòric
La fórmula teòrica per calcular la velocitat nominal del Wi-Fi 6 és força complicada i depèn de molts paràmetres, començant pel nombre de fluxos espacials i acabant amb la informació que podem posar en una subportadora (o subportadores, si n'hi ha diversos) per unitat de temps.
Com podeu veure, depèn molt dels fluxos espacials. Però abans, un augment del seu nombre en combinació amb l'ús de STC (codificació espai-temps) i MRC (combinació de ràtio màxima) va empitjorar el rendiment de la solució sense fil en el seu conjunt.
Noves tecnologies clau de la capa física
Passem a les tecnologies clau de la capa física i comencem amb la primera capa del model de xarxa OSI.
Recordem que OFDM utilitza un nombre determinat de subportadores que, sense afectar-se mútuament, són capaços de transmetre una certa quantitat d'informació.
A l'exemple, estem utilitzant la banda de 5,220 GHz, que té 48 subcanals. En agregar aquest canal, obtenim un nombre més gran de subportadores, cadascuna de les quals utilitza el seu propi esquema de modulació.
El Wi-Fi 5 utilitza la modulació en quadratura 256 QAM (modulació d'amplitud en quadratura), que us permet formar dins de la freqüència portadora en un interval de temps un camp de 16 x 16 punts que difereixen en amplitud i fase. El desavantatge és que només una estació pot transmetre a la freqüència portadora alhora.
La multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDMA) prové del món dels operadors mòbils, s'estén simultàniament amb LTE i s'utilitza per organitzar un enllaç descendent (canal de comunicació amb l'abonat). Permet treballar amb el canal a nivell de les anomenades unitats de recursos. Aquestes unitats ajuden a trencar el bloc en un nombre determinat de components. En el marc del bloc, no podem treballar estrictament amb un element radiant (usuari o punt d'accés) en cada moment, sinó combinar desenes d'elements. Això us permet obtenir resultats notables.
Enllaç fàcil de canals a Wi-Fi 6
La connexió de canals a Wi-Fi 6 us permet obtenir canals combinats amb una amplada de 20 a 160 MHz. A més, la connexió no s'ha de fer en intervals propers. Per exemple, un bloc es pot agafar de la banda de 5,17 GHz i el segon de la banda de 5,135 GHz. Això us permet construir de manera flexible un entorn de ràdio fins i tot en presència de forts factors d'interferència o a les proximitats d'altres estacions d'emissió constant.
De SIMO a MIMO
El mètode MIMO no sempre ha estat amb nosaltres. Antigament, les comunicacions mòbils s'havien de limitar al mode SIMO, la qual cosa significava que l'estació d'abonat disposava de diverses antenes que funcionaven simultàniament per rebre informació.
MU-MIMO està dissenyat per transmetre informació als usuaris utilitzant tot el fons d'antena actual. Això elimina les restriccions imposades anteriorment pel protocol CSMA / CA associades a l'enviament de fitxes als dispositius dels subscriptors per a la transferència. Ara els usuaris estan units en un grup i cada membre del grup rep la seva part del recurs del fons d'antena del punt d'accés, i no fa cua.
Formació de feixos
Una regla important de funcionament de MU-MIMO és mantenir aquest mode de funcionament del fons de l'antena, que no comportaria la superposició mútua d'ones de ràdio i la pèrdua d'informació a causa de l'addició de fases.
Això requereix càlculs matemàtics complexos al costat del punt d'accés. Si el terminal admet aquesta funció, MU-MIMO li permet indicar al punt d'accés quant de retard rep un senyal a cada antena específica. I el punt d'accés, al seu torn, ajusta les seves antenes per formar un feix dirigit de manera òptima.
Què ens aporta en general?
Els cercles blancs amb números a la taula indiquen els escenaris actuals per utilitzar generacions anteriors de Wi-Fi. Els cercles blaus (vegeu la il·lustració anterior) descriuen les capacitats del Wi-Fi 6, i els cercles grisos són una qüestió d'un futur proper.
Els principals avantatges que aporten les noves solucions amb suport OFDMA estan associats a unitats de recursos implementades a un nivell similar al TDM (Time Division Multiplexing). Aquest no era el cas amb Wi-Fi abans. Això us permet controlar clarament la banda assignada, assegurant el temps mínim de trànsit del senyal a través del mitjà i el nivell de fiabilitat requerit. Afortunadament, ningú no dubta que cal millorar els indicadors de fiabilitat del Wi-Fi.
La història es mou en espiral, i la situació actual és semblant a la que es va desenvolupar en un moment al voltant d'Ethernet. Fins i tot llavors, es va establir l'opinió que el mitjà de transmissió CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) no ofereix cap rendiment garantit. I així va continuar fins a la transició a IEEE 802.3z.
Pel que fa als patrons d'ús generals, com podeu veure, amb cada generació de Wi-Fi, els escenaris d'ús es multipliquen, cada cop més sensibles als retards, i fiabilitat.
I de nou sobre l'entorn físic
Bé, ara sobre com es forma un nou entorn físic. Quan s'utilitza CSMA / CA i OFDM, l'augment del nombre de punts actius (Active STA) va provocar que el rendiment del canal de 20 MHz va caure seriosament. Això es deu al que ja s'ha comentat: sense les noves tecnologies STC (Space-Time Coding) i MRC (Maximum Ratio Combining).
L'OFDMA a causa de l'ús d'unitats de recursos pot interactuar eficaçment amb estacions llunyanes i de baixa potència. Tenim l'oportunitat de treballar en el mateix rang d'operadors amb usuaris que consumeixen diferents quantitats de recursos. Un usuari pot ocupar una unitat, i un altre pot ocupar totes les altres.
Per què abans no hi havia OFDMA?
I finalment, la pregunta principal: per què abans no hi havia OFDMA? Curiosament, tot es va reduir a diners.
Durant molt de temps, es va creure que el preu d'un mòdul Wi-Fi hauria de ser mínim. Quan el protocol es va posar en funcionament comercial l'any 1997, es va decidir que el cost de producció d'aquest mòdul no podia superar 1 $. Com a resultat, el desenvolupament de la tecnologia ha pres un camí subòptim. Aquí no tenim en compte el transportista LTE, on OFDMA s'ha utilitzat durant força temps.
Al final, el grup de treball Wi-Fi va decidir agafar aquestes novetats del món de les operadores de telecomunicacions i traslladar-les al món de les xarxes empresarials. La tasca principal va ser la transició a l'ús d'elements de més qualitat, com ara filtres i oscil·ladors.
Per què ens va costar tant treballar amb les antigues codificacions MRC amb o sense interferències? Com que el mecanisme de formació de feixos MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) va augmentar dràsticament el nombre d'errors tan bon punt vam intentar alinear un gran nombre de punts de transmissió. OFDMA ha demostrat que el problema es pot solucionar.
La lluita contra les interferències es basa ara en les matemàtiques. Si la finestra de comunicació és prou llarga, la interferència dinàmica resultant comporta problemes. Els nous algorismes de funcionament us permeten allunyar-se d'ells, excloent la influència no només de la interferència associada a la transmissió de Wi-Fi, sinó també de qualsevol altra que es produeixi en aquest rang.
Gràcies a la supressió adaptativa d'interferències, podem guanyar fins a 11 dB de guany fins i tot en un entorn heterogeni complex. L'ús de solucions algorítmiques pròpies de Huawei va permetre aconseguir una optimització seriosa exactament on calia, en solucions interiors. El que és bo en 5G no és necessàriament bo en un entorn Wi-Fi 6. Els enfocaments massius de MIMO i MU-MIMO difereixen entre les solucions interiors i exteriors. Quan sigui necessari, convé utilitzar solucions cares, com en 5G. Però també calen altres opcions, com ara Wi-Fi 6, capaç d'oferir la latència i el rendiment que esperem dels operadors.
Prenem en préstec les eines que ens seran útils com a consumidors corporatius, tot això per oferir un entorn físic en el qual es pugui confiar.
***
Per cert, no us oblideu dels nostres nombrosos seminaris web sobre novetats de Huawei 2020, celebrats no només en el segment de parla russa, sinó també a nivell mundial. Una llista de seminaris web per a les properes setmanes està disponible a .
Font: www.habr.com