Co nás čeká ve Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

V poslední době se na trh dostávají zařízení podporující technologii Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), o které se hodně mluví. Málokdo ale ví, že vývoj nové generace Wi-Fi technologie již probíhá – Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Jak bude Wi-Fi 7 vypadat, zjistíte v tomto článku.

pravěk

V září 2020 oslavíme 30. výročí projektu IEEE 802.11, který výrazně ovlivnil naše životy. V současné době je technologie Wi-Fi, definovaná rodinou standardů IEEE 802.11, nejoblíbenější bezdrátovou technologií používanou pro připojení k internetu, přičemž Wi-Fi přenáší více než polovinu uživatelského provozu. Zatímco mobilní technologie se mění každé desetiletí, jako je nahrazení názvu 4G za 5G, pro uživatele Wi-Fi dochází ke zlepšení rychlosti dat a také zavádění nových služeb a nových funkcí téměř bez povšimnutí. Jen málo zákazníků zajímá písmena „n“, „ac“ nebo „ax“, která následují po „802.11“ na krabicích s vybavením. To ale neznamená, že se Wi-Fi nevyvíjí.

Jedním z důkazů evoluce Wi-Fi je dramatický nárůst jmenovitých datových rychlostí: z 2 Mbps ve verzi z roku 1997 na téměř 10 Gbps v nejnovějším standardu 802.11ax, známém také jako Wi-Fi 6. Moderní Wi-Fi dosahuje takových zvýšení výkonu díky rychlejšímu návrhu signálu a kódu, širším kanálům a použití technologie MIMO.

Kromě hlavního proudu vysokorychlostních bezdrátových místních sítí zahrnuje vývoj Wi-Fi několik specializovaných projektů. Například Wi-Fi HaLow (802.11ah) byl pokus přinést Wi-Fi na trh bezdrátového internetu věcí. Wi-Fi s milimetrovou vlnou (802.11ad/ay) podporuje nominální datové rychlosti až 275 Gbps, i když na velmi krátké vzdálenosti.

Nové aplikace a služby související se streamováním videa ve vysokém rozlišení, virtuální a rozšířenou realitou, hraním her, vzdálenou kanceláří a cloud computingem, stejně jako potřeba podporovat velké množství uživatelů s intenzivním provozem v bezdrátových sítích, vyžadují vysoký výkon.

Wi-Fi 7 cílů

V květnu 2019 začala podskupina BE (TGbe) pracovní skupiny 802.11 Výboru pro standardy místní a metropolitní sítě pracovat na novém přírůstku standardu Wi-Fi, který se zvýší nominální propustnost až více než 40 Gbit/s v jednom frekvenčním kanálu „typického“ rozsahu Wi-Fi <= 7 GHz. Ačkoli mnoho dokumentů uvádí „maximální propustnost alespoň 30 Gb/s“, nový protokol fyzické vrstvy poskytne nominální rychlosti přesahující 40 Gb/s.

Dalším důležitým směrem vývoje pro Wi-Fi 7 je podpora aplikací v reálném čase (hry, virtuální a rozšířená realita, ovládání robotů). Je pozoruhodné, že ačkoli Wi-Fi zpracovává audio a video provoz zvláštním způsobem, dlouho se věřilo, že poskytování standardní úrovně garantované nízké latence (milisekundy), známé také jako Time-Sensitive Networking, ve Wi-Fi sítích je zásadně důležité. nemožné. V listopadu 2017 náš tým z IITP RAS a National Research University Higher School of Economics (neberte to jako PR) předložil odpovídající návrh ve skupině IEEE 802.11. Návrh vyvolal velký zájem a v červenci 2018 byla spuštěna zvláštní podskupina, která se touto problematikou dále zabývala. Protože podpora aplikací v reálném čase vyžaduje jak vysoké nominální přenosové rychlosti, tak vylepšenou funkčnost linkové vrstvy, rozhodla se pracovní skupina 802.11 vyvinout metody pro podporu aplikací v reálném čase v rámci Wi-Fi 7.

Důležitým problémem Wi-Fi 7 je jeho koexistence s technologiemi celulárních sítí (4G/5G), které vyvíjí 3GPP a fungují ve stejných nelicencovaných frekvenčních pásmech. Mluvíme o LTE-LAA/NR-U. Pro studium problémů spojených s koexistencí Wi-Fi a celulárních sítí spustil IEEE 802.11 Koexistující stálý výbor (Coex SC). Navzdory četným setkáním a dokonce i společnému workshopu účastníků 3GPP a IEEE 802.11 v červenci 2019 ve Vídni nebyla dosud schválena technická řešení. Možným vysvětlením této marnosti je, že jak IEEE 802, tak 3GPP se zdráhají změnit své vlastní technologie, aby odpovídaly té druhé. Tím pádem, V současné době není jasné, zda diskuse Coex SC ovlivní standard Wi-Fi 7.

Vývojový proces

Přestože je vývojový proces Wi-Fi 7 ve velmi raných fázích, k dnešnímu dni bylo předloženo téměř 500 návrhů nových funkcí pro nadcházející Wi-Fi 7, také známou jako IEEE 802.11be. O většině nápadů se v podskupině be teprve diskutuje a ještě o nich nebylo rozhodnuto. Další nápady byly nedávno schváleny. Níže bude jasně uvedeno, které návrhy jsou schváleny a které se teprve projednávají.

Původně se plánovalo, že vývoj hlavních nových mechanismů bude dokončen do března 2021. Finální verze standardu se očekává začátkem roku 2024. V lednu 2020 vznesl 11be obavy, zda vývoj zůstane podle plánu při současném tempu práce. Aby se urychlil standardní vývojový proces, podskupina souhlasila s výběrem malé sady funkcí s vysokou prioritou, které by mohly být vydány do roku 2021 (vydání 1), a zbytek ponechá na verzi 2. Funkce s vysokou prioritou by měly zajistit hlavní zvýšení výkonu a zahrnují podporu pro 320 MHz, 4K-QAM, zjevná vylepšení OFDMA z Wi-Fi 6, MU-MIMO s 16 streamy.

Skupina se v současnosti kvůli koronaviru neschází osobně, ale pravidelně pořádá telekonference. Vývoj se tedy poněkud zpomalil, ale nezastavil.

Detaily technologie

Podívejme se na hlavní inovace Wi-Fi 7.

1. Nový protokol fyzické vrstvy je vývojem protokolu Wi-Fi 6 s dvojnásobným nárůstem šířka pásma až 320 MHz, dvojnásobný počet prostorových toků MU-MIMO, což zvyšuje jmenovitý výkon 2×2 = 4krát. Wi-Fi 7 také začíná využívat modulaci 4K-QAM, což přidává dalších 20 % k nominálnímu výkonu. Wi-Fi 7 tedy poskytne 2x2x1,2 = 4,8násobek jmenovité rychlosti přenosu dat než Wi-Fi 6: Maximální jmenovitá propustnost Wi-Fi 7 je 9,6 Gb/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Kromě toho dojde k revoluční změně protokolu fyzické vrstvy, která zajistí kompatibilitu s budoucími verzemi Wi-Fi, ale pro uživatele zůstane neviditelná.
2. Změna metody přístupu ke kanálu pro podpora aplikací v reálném čase bude provedena s ohledem na zkušenosti IEEE 802 TSN pro drátové sítě. Probíhající diskuse ve výboru pro standardy se týkají procedury náhodného stažení pro přístup ke kanálu, kategorií provozních služeb a tudíž samostatných front pro provoz v reálném čase a politik paketových služeb.
3. Zavedeno ve Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDM – metoda přístupu ke kanálu s časovým a frekvenčním dělením (podobná té, která se používá v sítích 4G a 5G) – poskytuje nové příležitosti pro optimální alokaci zdrojů. V 11ax však OFDMA není dostatečně flexibilní. Za prvé umožňuje přístupovému bodu přidělit klientskému zařízení pouze jeden zdrojový blok předem určené velikosti. Za druhé, nepodporuje přímý přenos mezi klientskými stanicemi. Obě nevýhody snižují spektrální účinnost. Nedostatečná flexibilita staršího Wi-Fi 6 OFDMA navíc snižuje výkon v hustých sítích a zvyšuje latenci, což je kritické pro aplikace v reálném čase. 11be tyto problémy OFDMA vyřeší.
4. Jednou z potvrzených revolučních změn Wi-Fi 7 je nativní podpora současné použití několika paralelních připojení na různých frekvencích, což je velmi užitečné jak pro obrovské přenosové rychlosti, tak pro extrémně nízkou latenci. Moderní čipsety sice již dokážou využívat více připojení současně, například v pásmech 2.4 a 5 GHz, ale tato připojení jsou nezávislá, což omezuje efektivitu takového provozu. V 11be bude nalezena úroveň synchronizace mezi kanály, která umožňuje efektivní využití kanálových zdrojů a bude mít za následek významné změny v pravidlech protokolu přístupu ke kanálu.
5. Použití velmi širokých kanálů a velkého počtu prostorových toků vede k problému vysoké režie spojené s procedurou odhadu stavu kanálu vyžadovanou pro MIMO a OFDMA. Tato režie ruší veškeré zisky z rostoucí nominální přenosové rychlosti. To se očekávalo postup hodnocení stavu kanálu bude revidován.
6. V souvislosti s Wi-Fi 7 výbor pro standardy diskutuje o použití některých „pokročilých“ metod přenosu dat. Teoreticky tyto metody zlepšují spektrální účinnost v případě opakovaných pokusů o přenos, stejně jako simultánní přenosy ve stejném nebo opačném směru. Hovoříme o hybridním automatickém opakování požadavku (HARQ), aktuálně používaném v celulárních sítích, plně duplexním režimu a neortogonálním vícenásobném přístupu (NOMA). Tyto techniky byly teoreticky dobře prostudovány v literatuře, ale zatím není jasné, zda zvýšení produktivity, které poskytují, bude stát za námahu při jejich implementaci.
   • Použití HARQ komplikuje následující problém. Ve Wi-Fi jsou pakety slepeny, aby se snížila režie. V současných verzích Wi-Fi je doručení každého paketu uvnitř nalepeného potvrzeno a pokud potvrzení nepřijde, přenos paketu se opakuje pomocí metod channel access protocol. HARQ přesouvá opakování z datového spoje do fyzické vrstvy, kde již nejsou žádné pakety, ale pouze kódová slova a hranice kódových slov se neshodují s hranicemi paketů. Tato desynchronizace komplikuje implementaci HARQ ve Wi-Fi.
   • s ohledem na Full-Duplex, pak v současné době ani v celulárních sítích ani v sítích Wi-Fi není možné současně přenášet data ve stejném frekvenčním kanálu do az přístupového bodu (základnové stanice). Z technického hlediska je to způsobeno velkým rozdílem ve výkonu vysílaného a přijímaného signálu. Přestože existují prototypy, které kombinují digitální a analogové odečítání vysílaného signálu od přijímaného signálu, schopné přijímat signál Wi-Fi během jeho přenosu, zisk, který mohou v praxi poskytnout, může být zanedbatelný vzhledem k tomu, že v každém okamžiku dolní se nerovná vzestupnému (v průměru „v nemocnici“ je sestupný výrazně větší). Navíc takový obousměrný přenos značně zkomplikuje protokol.
   • Zatímco přenos více streamů pomocí MIMO vyžaduje více antén pro odesílatele a příjemce, s neortogonálním přístupem může přístupový bod současně přenášet data dvěma příjemcům z jediné antény. V nejnovějších specifikacích 5G jsou zahrnuty různé možnosti neortogonálního přístupu. Prototyp NE, ALE Wi-Fi byla poprvé vytvořena v roce 2018 na IITP RAS (opět to nepovažujte za PR). Prokázalo 30-40% zvýšení výkonu. Výhodou vyvinuté technologie je její zpětná kompatibilita: jedním ze dvou příjemců může být zastaralé zařízení, které nepodporuje Wi-Fi 7. Obecně je problém zpětné kompatibility velmi důležitý, protože zařízení různých generací mohou současně fungovat v síti Wi-Fi. V současné době několik týmů po celém světě analyzuje účinnost kombinovaného použití NOMA a MU-MIMO, jejichž výsledky určují budoucí osud tohoto přístupu. Pokračujeme také v práci na prototypu: jeho další verze bude představena na konferenci IEEE INFOCOM v červenci 2020.
7. Konečně další důležitá inovace, avšak s nejasným osudem, je koordinovaný provoz přístupových bodů. Ačkoli mnoho prodejců má své vlastní centralizované ovladače pro podnikové Wi-Fi sítě, možnosti těchto ovladačů byly obecně omezeny na dlouhodobou konfiguraci parametrů a výběr kanálů. Výbor pro standardy projednává užší spolupráci mezi sousedními přístupovými body, která zahrnuje koordinované plánování vysílání, tvarování paprsků a dokonce distribuované systémy MIMO. Některé z uvažovaných přístupů používají sekvenční zrušení interference (přibližně stejné jako v NOMA). Ačkoli přístupy pro koordinaci 11be ještě nebyly vyvinuty, není pochyb o tom, že standard umožní přístupovým bodům od různých výrobců vzájemně koordinovat přenosové plány, aby se omezilo vzájemné rušení. Jiné, složitější přístupy (jako je distribuované MU-MIMO) bude obtížnější implementovat do standardu, ačkoli někteří členové skupiny jsou odhodláni tak učinit v rámci Release 2. Bez ohledu na výsledek bude osud metod koordinace přístupových bodů je nejasný. I když jsou zahrnuty do standardu, nemusí se dostat na trh. Podobná věc se již dříve stala při pokusu vnést řád do Wi-Fi přenosů pomocí řešení jako HCCA (11e) a HCCA TXOP Negotiation (11be).

V souhrnu se zdá, že většina návrhů spojených s prvními pěti skupinami se stane součástí Wi-Fi 7, zatímco návrhy spojené s posledními dvěma skupinami vyžadují významný dodatečný výzkum, aby se prokázala jejich účinnost.

Další technické detaily

Technické podrobnosti o Wi-Fi 7 si můžete přečíst zde (na angličtině)

Zdroj: www.habr.com