In i so sviluppi, Huawei s'appoghja nantu à u Wi-Fi 6. E dumande da i culleghi è i clienti nantu à a nova generazione di u standard ci hà incitatu à scrive un postu nantu à i fundamenti teorichi è i principii fisichi incrustati in questu. Passemu da a storia à a fisica è fighjemu in dettagliu perchè e tecnulugia OFDMA è MU-MIMO sò necessarie. Parlemu ancu di cumu un mediu di trasmissione di dati fisicu fundamentalmente riprogettatu hà permessu di ottene una capacità di canali garantita è una tale riduzione di u livellu generale di ritardu chì sò diventati paragunabili à quelli di un operatore. E questu malgradu u fattu chì e reti muderne basate in 5G sò più caru (in media 20-30 volte) chì e rete Wi-Fi 6 interni cù capacità simili.
Per Huawei, u tema ùn hè per nunda inattivu: e soluzioni chì supportanu Wi-Fi 6 sò trà i nostri prudutti più innovativi in 2020, in quale sò stati investiti risorse enormi. Eccu solu un esempiu: a ricerca in u campu di a scienza di i materiali ci hà permessu di selezziunà una lega, l'usu di quale in elementi radio di un puntu d'accessu hà aumentatu u rapportu signale-à-rumore da 2-3 dB: cappellu à Doron Ezri per stu successu.
Un pocu di storia
Hè sensu di cuntà a storia di u Wi-Fi torna à u 1971, quandu à l'Università di Hawaii, u prufessore Norman Abramson è un gruppu di culleghi anu sviluppatu, custruitu è lanciatu a reta di dati di pacchetti wireless ALOHAnet.
In u 1980, un gruppu di normi è protokolli IEEE 802 hè statu appruvatu, chì descrive l'urganizazione di i dui strati più bassi di u mudellu di rete OSI di sette strati. Avemu avutu aspittà 802.11 anni longu prima di a liberazione di a prima versione di 17.
Cù l'adopzione di u standard 1997 in u 802.11, dui anni prima di a nascita di l'Alleanza Wi-Fi, a prima generazione di a tecnulugia di dati wireless più populari d'oghje hè entrata in u mondu più largu.
Standard IEEE 802. Generazioni Wi-Fi
U primu standard per esse veramente largamente supportatu da i fabricatori di l'equipaggiu era 802.11b. Comu pudete vede, a freccia di l'innuvazioni hè stata abbastanza stabile da a fine di u XXu seculu: i cambiamenti qualitativi piglianu tempu. Nta l'ultimi anni, assai travagliu hè statu fattu per migliurà u mediu di trasmissione di u signale fisicu. Per capisce megliu i prublemi muderni di Wi-Fi, andemu à i so fundamenti fisichi.
Ricordemu i principii!
Onde radiu sò un casu spiciali di onde elettromagnetiche - propagate da una fonte di disturbi di u campu elettricu è magneticu. Sò carattarizati da trè paràmetri principali: u vettore d'onda, è ancu i vettori di forza di u campu elettricu è magneticu. Tutti i trè sò mutualmente perpendiculari l'un à l'altru. In questu casu, a freccia di una onda hè generalmente chjamata u numeru di oscillazioni ripetuti chì si mette in una unità di tempu.
Tutti questi sò fatti cunnisciuti. Tuttavia, per ghjunghje à a fine, simu custretti à principià da u principiu.
Nant'à a scala cunvinziunali di freccia di a radiazione elettromagnetica, a gamma di radiu occupa a parte più bassa (bassa frequenza). Include onde elettromagnetiche cù una frequenza d'oscillazione da 3 Hz à 3000 GHz. Tutte l'altri bandi, cumprese a luce visibile, anu una frequenza assai più altu.
A più alta a freccia, più energia pò esse impartita à l'onda di radiu, ma à u stessu tempu si piega l'ostaculi menu bè è attenuate più veloce. U cuntrariu hè ancu veru. Pigliendu queste caratteristiche, sò stati scelti dui intervalli di freccia principali per l'operazione Wi-Fi - 2,4 GHz (banda di freccia da 2,4000 à 2,4835 GHz) è 5 GHz (banda di freccia 5,170-5,330, 5,490-5,730 è 5,735-5,835 GHz).
L'onde di radio si propaganu in tutte e direzzione, è per impediscenu i missaghji di influenzà l'un l'altru per via di l'effettu di l'interferenza, a banda di freccia hè generalmente divisa in sezioni strette separate - canali cù unu o l'altru. . U diagramma sopra mostra chì i canali adiacenti 1 è 2 cù una larghezza di banda di 20 MHz interferiscenu l'una cù l'altru, ma 1 è 6 ùn anu micca.
U signale in u canali hè trasmessu utilizendu una onda radiu à una certa frequenza di traspurtadore. Per trasmette infurmazione, i paràmetri d'onda ponu esse per frequenza, amplitude o fase.
Separazione di canali in intervalli di frequenza Wi-Fi
A gamma di frequenza 2,4 GHz hè divisa in 14 canali parzialmente sovrapposti cù una larghezza ottima di 20 MHz. Una volta era cridutu chì questu era abbastanza per urganizà una rete wireless cumplessa. Prestu hè diventatu chjaru chì a capacità di a gamma hè stata rapidamente esaurita, cusì a gamma di 5 GHz hè stata aghjunta à questu, a capacità spettrale di quale hè assai più altu. In questu, in più di i canali 20 MHz, hè pussibule attribuisce canali cù una larghezza di 40 è 80 MHz.
Per migliurà ulteriormente l'efficienza di l'usu di u spettru di frequenze radio, a tecnulugia di multiplexing di divisione di frequenza ortogonale hè oghji largamente usata ().
Implica l'usu, inseme à a freccia di u traspurtadore, parechje frequenze di subcarrier in u stessu canali, chì permette di realizà a trasmissione di dati parallela. OFDM permette di distribuisce u trafficu in una manera "granulare" abbastanza còmuda, ma per via di a so età venerable, conserva una quantità di svantaghji significati. Frà elli sò i principii di travaglià cù u protocolu di rete CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), secondu chì solu un utilizatore pò travaglià nantu à un trasportatore è subcarrier in certi tempi.
Flussi spaziali
Un modu impurtante per aumentà u throughput di a rete wireless hè attraversu l'usu di flussi spaziali.
U puntu d'accessu porta parechji moduli radio (unu, dui o più), chì sò cunnessi à un certu nùmeru di antenne. Queste antenne radiate secondu un certu mudellu è modulazione, è voi è eiu ricevemu infurmazione trasmessa nantu à un mediu wireless. U flussu spaziale pò esse furmatu trà una antenna fisica specifica (modulu di radio) di u puntu d'accessu è u dispusitivu di l'utilizatori. Grazie à questu, u voluminu tutale di l'infurmazioni trasmessi da u puntu d'accessu aumenta da un multiplu di u numeru di flussi (antenni).
Sicondu i normi attuali, finu à quattru flussi spaziali ponu esse implementati in a banda 2,4 GHz, è finu à ottu in a banda 5 GHz.
Nanzu, quandu u travagliu in i bandi 2,4 è 5 GHz, avemu focu solu nantu à u numeru di moduli radiu. A prisenza di un secondu modulu di radiu hà furnitu una flessibilità supplementaria, postu chì permette à i vechji dispositi di abbonati operanu à una freccia di 2,4 GHz, è i novi per operanu à una frequenza di 5 GHz. Cù l'avventu di u terzu è i moduli di radiu sussegwente, sò stati parechji prublemi. Elementi radianti tendenu à interferiscenu cù l'altri, chì aumenta u costu di u dispusitivu per a necessità di un disignu megliu è equipaghjanu u puntu d'accessu cù filtri di compensazione. Cusì hè diventatu solu recentemente pussibule di sustene simultaneamente 16 flussi spaziali per puntu d'accessu.
Velocità pratica è teorica
A causa di i meccanismi operativi OFDM, ùn pudemu micca ottene u massimu throughput di a rete. I calculi teorichi per l'implementazione pratica di l'OFDM sò stati realizati assai tempu fà è solu in relazione à l'ambienti ideali, induve un rapportu signal-to-noise (SNR) è una rata d'errore di bit (BER) era previsiblemente previstu. In e cundizioni muderni di u forte rumore in tutti i spettri di frequenze radio chì ci interessanu, u throughput di e rete basate in OFDM hè deprimente bassu. È u protokollu hà cuntinuatu à purtà sti difetti finu à pocu tempu, finu à chì a tecnulugia OFDMA (accessu multiplu à divisione di frequenza ortogonale) hè ghjunta in salvezza. À ella - un pocu più.
Parlemu di l'antenne
Comu sapete, ogni antenna hà un guadagnu, secondu u valore di quale un mudellu spaziale di propagazione di u signale (beamforming) hè furmatu cù una certa zona di copertura (ùn pigliamu micca in contu a riflessione di u signale, etc.). Questu hè precisamente ciò chì i diseggiani anu sempre basatu u so ragiunamentu nantu à induve esattamente i punti d'accessu devenu esse posti. Per un bellu pezzu, a forma di u mudellu hè stata inalterata è solu cresce o diminuite in proporzione à e caratteristiche di l'antenna.
Elementi muderni di l'antenna sò diventati più è più cuntrullabili è permettenu cambiamenti dinamichi in u mudellu spaziale di propagazione di u signale in tempu reale.
A figura di manca sopra mostra u principiu di a propagazione di l'onda radio cù una antenna omnidirezionale standard. Aumentendu a putenza di u signale, pudemu solu cambià u raghju di copertura senza a capacità di influenzà significativamente a qualità di l'usu di u canali - KQI (Indicatori di qualità chjave). È questu indicatore hè estremamente impurtante quandu urganizeghja cumunicazioni in cundizioni di movimentu frequente di u dispositivu abbonatu in un ambiente wireless.
A suluzione à u prublema era l'usu di un gran numaru di antenne chjuche, a carica nantu à quale pò esse aghjustate in tempu reale, furmendu mudelli di propagazione secondu a pusizione spaziale di l'utilizatore.
Cusì, era pussibule avvicinassi à l'usu di a tecnulugia MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Cù u so aiutu, u puntu d'accessu in ogni mumentu genera flussi di radiazioni diretti specificamente versu i dispositi abbonati.
Da a fisica à i normi 802.11
Cume i normi Wi-Fi evoluciononu, i principii di travaglià cù a capa fisica di a reta cambiatu. L'usu di altri meccanismi di modulazione hà permessu - cuminciendu cù versioni di 802.11g/n - per inserisce una quantità assai più grande d'infurmazioni in un slot di tempu è, per quessa, travaglià cù un numeru più grande di utilizatori. Frà altre cose, questu hè stata ottenuta per l'usu di flussi spaziali. È a nova flessibilità in a larghezza di u canali hà permessu di generà più risorse per MIMO.
L'appruvazioni di u standard Wi-Fi 7 hè prevista per l'annu prossimu. Chì cambierà cù a so ghjunta ? In più di l'aumentu abituale di a veloce è l'aghjunzione di a banda 6 GHz, serà pussibule di travaglià cù canali aggregati largu, cum'è 320 MHz. Questu hè particularmente interessante in u cuntestu di l'applicazioni industriali.
Trasmissione teorica di Wi-Fi 6
A formula teorica per u calculu di a velocità nominale di Wi-Fi 6 hè abbastanza cumplessa è dipende da parechji paràmetri, cuminciendu cù u numeru di flussi spaziali è finiscinu cù l'infurmazioni chì pudemu mette in un subcarrier (o subcarriers, se ci sò parechji di elli) per unità di tempu.
Comu pudete vede, assai dipende di i flussi spaziali. Ma prima, un aumentu di u so numeru in cumbinazione cù l'usu di STC (Space-Time Coding) è MRC (Maximum Ratio Combining) aggravava u rendiment di a suluzione wireless in tuttu.
Nove Tecnulugie Chjave di Strati Fisichi
Passemu à i tecnulugii chjave di a capa fisica - è cuminciamu cù a prima capa di u mudellu di rete OSI.
Ricurdemu chì OFDM usa un certu nùmeru di subcarriers, chì, senza affettà l'altri, sò capaci di trasmette una certa quantità di informazioni.
In l'esempiu, usemu a banda 5,220 GHz, chì cuntene 48 subchannels. Aggregate stu canale, avemu un numeru più grande di subcarriers, chì ognunu usa u so propiu schema di modulazione.
Wi-Fi 5 usa a modulazione di ampiezza in quadratura 256 QAM (Modulazione di amplitude in quadratura), chì vi permette di furmà un campu di 16 x 16 punti in a frequenza di u trasportatore in un intervallu di tempu, differisce in amplitude è fase. L'inconveniente hè chì in ogni mumentu solu una stazione pò trasmette nantu à a frequenza di u trasportatore.
U multiplexing di divisione di frequenza ortogonale (OFDMA) hè vinutu da u mondu di l'operatori mobili, hè diventatu generalizatu simultaneamente cù LTE è hè adupratu per urganizà un downlink (canale di cumunicazione à l'abbonatu). Permette di travaglià cù u canali à u livellu di unità di risorse chjamate. Queste unità aiutanu à rompe un bloccu in un numeru specificu di cumpunenti. Dentru un bloccu, in ogni mumentu ùn pudemu micca travaglià strettamente cù un elementu emittente (utilizatori o puntu d'accessu), ma combine decine d'elementi. Questu permette di ottene risultati notevuli.
Cunnessione faciule di canali in Wi-Fi 6
Canale Bonding in Wi-Fi 6 permette di ottene canali cumminati cù una larghezza di 20 à 160 MHz. Inoltre, a cunnessione ùn deve micca esse fatta in i spazii vicini. Per esempiu, un bloccu pò esse pigliatu da a banda 5,17 GHz, è u sicondu da a banda 5,135 GHz. Questu permette di custruisce in modu flessibile un ambiente radiu ancu in presenza di forti fatturi di interferenza o in prossimità di altre stazioni chì emettenu constantemente.
Da SIMO à MIMO
U metudu MIMO ùn hè micca sempre stata cun noi. Una volta, i cumunicazioni mobili anu da esse limitati à u modu SIMO, chì implicava a prisenza di parechje antenne à a stazione di l'abbonati, travagliendu simultaneamente per riceve informazioni.
MU-MIMO hè pensatu per trasmette infurmazioni à l'utilizatori utilizendu tuttu u stock di antenna attuale. Questu elimina e restrizioni precedentemente imposte da u protokollu CSMA / CA assuciatu cù l'inviu di tokens à i dispositi abbonati per a trasmissione. Avà l'utilizatori sò uniti in un gruppu è ogni membru di u gruppu riceve a so parte di a risorsa di l'antenna di u puntu di accessu, invece di aspittà u so turnu.
Formazione di un fasciu radio
Una regula impurtante per u funziunamentu di MU-MIMO hè di mantene un modu di funziunamentu di l'array di l'antenna chì ùn hà micca purtatu à a sovrapposizione mutuale di l'onda radio è a perdita di l'infurmazioni per via di l'addizione di fasi.
Questu hè bisognu di calculi matematichi cumplessi nantu à u puntu di accessu. Se u terminal supporta sta funzione, MU-MIMO permette di dì à u puntu d'accessu quantu tempu ci vole à riceve un signalu à ogni antenna specifica. È u puntu d'accessu, à u turnu, aghjusta e so antenne per furmà un fasciu direttu ottimali.
Chì ci dà questu in generale?
Cerchi bianchi cù numeri in a tavula indicanu scenarii attuali per l'usu di Wi-Fi di e generazioni precedenti. I circles blu (vede l'illustrazione sopra) descrizanu e capacità di Wi-Fi 6, è i grisgi sò una materia di u futuru vicinu.
I benefizii principali chì e novi suluzioni abilitate OFDMA portanu sò in relazione cù unità di risorse implementate à un livellu simili à TDM (Time Division Multiplexing). Questu ùn hè mai statu u casu cù Wi-Fi prima. Questu permette di cuntrullà chjaramente a larghezza di banda assignata, assicurendu u minimu tempu di transitu di u signale à traversu u mediu è u livellu necessariu di affidabilità. Fortunatamente, nimu ùn dubbita chì l'indicatori di affidabilità Wi-Fi anu bisognu di migliurà.
A storia si move in una spirale, è a situazione attuale hè simile à quella chì hà sviluppatu intornu à Ethernet in un tempu. Ancu allora, l'opinione hè stata stabilita chì u mediu di trasmissione CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ùn furnisce micca un throughput garantit. E questu continuò finu à a transizione à IEEE 802.3z.
In quantu à i mudelli generali di l'applicazioni, cum'è pudete vede, cù ogni generazione di Wi-Fi, i so scenarii d'usu si multiplicanu, sempre più sensibili à i ritardi, generali. è affidabilità.
È dinò nantu à l'ambiente fisicu
Ebbè, avà parlemu di cumu si forma u novu ambiente fisicu. Quandu si usa CSMA / CA è OFDM, un aumentu di u numeru di STA attivi hà purtatu à una seria caduta in u throughput di u canali 20 MHz. Questu hè duvuta à ciò chì hè digià citatu: micca a tecnulugia più nova STC (Space-Time Coding) è MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, attraversu l'usu di unità di risorse, pò interagisce efficacemente cù stazioni di longa distanza è di bassa putenza. Avemu l'uppurtunità di travaglià in a listessa gamma di trasportatori cù l'utilizatori chì cunsumanu diverse quantità di risorse. Un utilizatore pò occupà una unità, è un altru - tutti l'altri.
Perchè ùn ci era micca OFDMA prima?
È infine, a quistione principale: perchè ùn ci era micca OFDMA prima? Curiosamente, tuttu si riduceva à soldi.
Per un bellu pezzu si crede chì u prezzu di un modulu Wi-Fi deve esse minimu. Quandu u protokollu hè stata lanciata in u funziunamentu cummerciale in u 1997, hè statu decisu chì u costu di pruduzzione di un tali modulu ùn pudia esse più di $ 1. In u risultatu, u sviluppu di a tecnulugia hà pigliatu una strada suboptimale. Quì ùn avemu micca cunsideratu l'operatore LTE, induve OFDMA hè stata utilizata per un bellu pezzu.
In ultimamente, u gruppu di travagliu Wi-Fi hà decisu di piglià questi sviluppi da u mondu di l'operatori di telecomunicazioni è di purtà à u mondu di e rete di l'impresa. U compitu principale era a transizione à l'usu di elementi di qualità più altu, cum'è filtri è oscillatori.
Perchè era cusì difficiule per noi di travaglià in i vechji codificazioni MRC cù o senza interferenza? Perchè u mecanismu di MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) beamforming hà aumentatu dramaticamente u nùmeru d'errori appena avemu pruvatu à cumminà un gran numaru di punti di trasmissione. OFDMA hà pruvatu chì u prublema pò esse risolta.
A lotta contru l'interferenza hè issa basata nantu à a matematica. Se a finestra di trasmissione hè abbastanza longa, l'interferenza dinamica risultante causa prublemi. I novi algoritmi operativi facenu pussibule di evitari, eliminendu l'influenza micca solu di l'interferenza assuciata cù a trasmissione Wi-Fi, ma ancu di qualsiasi altru chì si trova in questa gamma.
Grazie à l'anti-interferenza adattativa, pudemu ottene guadagnà finu à 11 dB ancu in ambienti eterogenei cumplessi. L'usu di e soluzioni algoritmiche di Huawei hà permessu di ottene una ottimisazione seria esattamente induve era necessariu - in soluzioni indoor. Ciò chì hè bonu in 5G ùn hè micca necessariamente bonu in un ambiente Wi-Fi 6. L'avvicinamenti Massive MIMO è MU-MIMO sò diffirenti in u casu di suluzioni interni è esterni. Quandu hè necessariu, hè appruvatu di utilizà suluzioni caru, cum'è in 5G. Ma sò necessarie altre opzioni, cum'è Wi-Fi 6, chì ponu furnisce a latenza è altre metriche chì avemu aspittatu da i trasportatori.
Prestemu da elli l'arnesi chì saranu utili per noi cum'è cunsumatori di l'impresa, tuttu in un sforzu di furnisce un ambiente fisicu chì pudemu cunfidà.
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A propositu, ùn vi scurdate micca di i nostri numerosi webinars nantu à i novi prudutti Huawei di 2020, tenuti micca solu in u segmentu in lingua russa, ma ancu à u livellu glubale. Una lista di webinars per e settimane à vene hè dispunibule à .
Source: www.habr.com