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

Nedávno na trh přišla zařízení podporující technologii Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), o které se hodně mluví. Ale málo kdo ví, že už nyní probíhá vývoj nové generace technologie Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). O tom, co bude Wi-Fi 7 představovat, se dočtete v tomto článku.

Pozadí

V září 2020 si připomeneme 30. výročí projektu IEEE 802.11, který měl zásadní vliv na naše životy. V současnosti je technologie Wi-Fi, definovaná rodinou standardů IEEE 802.11, nejpopulárnější bezdrátovou technologií používanou pro připojení k internetu: Wi-Fi přenáší více než polovinu uživatelského provozu. Zatímco mobilní technologie přejmenovávají každé desetiletí, například nahrazením názvu 4G 5G, pro uživatele Wi-Fi se zvyšování rychlosti přenosu dat a zavádění nových služeb a funkcí odehrává téměř nepozorovaně. Jen málo zákazníků si dělá starosti s písmeny „n“, „ac“ nebo „ax“, které následují po „802.11“ na obalech zařízení. To ale neznamená, že Wi-Fi se nevyvíjí.

Jedním z důkazů vývoje Wi-Fi je dramatické zvýšení nominálních rychlostí přenosu dat: od 2 Mbit/s ve verzi z roku 1997 až téměř 10 Gbit/s v nejnovějším standardu 802.11ax, známém také jako Wi-Fi 6. Moderní Wi-Fi dosahuje takového zlepšení výkonu díky rychlejším signálovým kódovým konstrukcím, širším kanálům a použití technologií. MIMO.

Kromě hlavního směru vysokorychlostních bezdrátových místních sítí zahrnuje evoluce Wi-Fi také několik specializovaných projektů. Například Wi-Fi HaLow (802.11ah) se pokusilo dostat Wi-Fi na trh bezdrátového Internetu věcí. Wi-Fi v milimetrovém pásmu (802.11ad/ay) podporuje nominální rychlosti přenosu dat až 275 Gbit/s, ovšem na velmi krátkých vzdálenostech.

Nové aplikace a služby spojené s videostreamingem ve vysokém rozlišení, virtuální a rozšířenou realitou, hrami, domácími kancelářemi a cloudovými výpočty, stejně jako potřeba podpory velkého množství uživatelů s intenzivním provozem v bezdrátových sítích vyžadují vysoký výkon.

Cíle Wi-Fi 7

V květnu 2019 zahájila podskupina BE (TGbe) pracovní skupiny 802.11 výboru pro standardizaci místních a městských sítí práci na novém dodatku ke standardu Wi-Fi, který zvýší jmenovitou propustnost na více než 40 Gbit/s v jednom frekvenčním kanálu typickém pro Wi-Fi pásmo <= 7 GHz. Ačkoli v mnoha dokumentech se uvádí „maximální propustnost alespoň 30 Gbit/s“, nový protokol fyzické úrovně zajistí jmenovitou rychlost přesahující 40 Gbit/s.

Dalším důležitým směrem vývoje Wi-Fi 7 je podpora aplikací v reálném čase (hry, virtuální a rozšířená realita, ovládání robotů). Je zajímavé, že ačkoli Wi-Fi zvláštním způsobem obsluhuje audio a video provoz, dlouho se předpokládalo, že zajištění na úrovni standardu zaručeně malých latencí (v řádu jednotek milisekund), také známé jako Time-Sensitive Networking, v sítích Wi-Fi je principiálně nemožné. V listopadu 2017 náš kolektiv z IPPI RAN a NIU VSHE (neberte to jako reklamu) předložil příslušný návrh skupině IEEE 802.11. Návrh vyvolal velký zájem a v červenci 2018 byla zahájena speciální podskupina pro další zkoumání této otázky. Vzhledem k tomu, že pro podporu aplikací v reálném čase jsou zapotřebí jak vysoké jmenovité rychlosti přenosu dat, tak rozšíření funkcí kanálové úrovně, pracovní skupina 802.11 se rozhodla vyvinout metody podpory aplikací v reálném čase v rámci Wi-Fi 7.

Důležitou otázkou spojenou s Wi-Fi 7 je jeho koexistence s technologiemi mobilních sítí (4G/5G), které vyvíjí 3GPP a které pracují ve stejných nelicencovaných pásmech frekvencí. Jedná se o LTE-LAA/NR-U. Pro zkoumání problémů souvisejících s koexistencí Wi-Fi a mobilních sítí zahájil IEEE 802.11 Coexisting Standing Committee (Coex SC). Navzdory mnoha setkáním a dokonce i společnému semináři účastníků 3GPP a IEEE 802.11 v červenci 2019 ve Vídni, technická řešení ještě nebyla schválena. Možné vysvětlení této neplodné činnosti spočívá v tom, že jak IEEE 802, tak 3GPP nechtějí měnit své vlastní technologie, aby je přizpůsobily druhé. Tím pádem, v současné době není jasné, zda diskuse v rámci Coex SC ovlivní standard Wi-Fi 7.

Proces vývoje

Ačkoli je proces vývoje Wi-Fi 7 teprve na počátku, bylo dosud navrženo přibližně 500 nových funkcí pro budoucí Wi-Fi 7, také známé jako IEEE 802.11be. Většina nápadů je ještě v diskusi v podskupině be a rozhodnutí o nich ještě nebylo učiněno. Ostatní nápady byly nedávno schváleny. Níže bude jasně uvedeno, které návrhy jsou schválené a které jsou pouze v diskusi.

Původně se plánovalo, že vývoj hlavních nových mechanismů skončí do března 2021. Konečná verze standardu se očekává na začátku roku 2024. V lednu 2020 vyjádřila podskupina 11be obavy o to, zda bude vývoj odpovídat harmonogramu při aktuálním tempu práce. Aby se urychlil proces vývoje standardu, podskupina souhlasila s výběrem malého souboru vysoce prioritních funkcí, které mohou být vydány do roku 2021 (Release 1), zatímco ostatní zůstanou na Release 2. Vysoce prioritní funkce by měly poskytovat hlavní nárůst výkonu a zahrnují podporu 320 MHz, 4K-QAM, zjevná zlepšení OFDMA z Wi-Fi 6, MU-MIMO se 16 toky.

Kvůli koronaviru se skupina v současné době nezasedá osobně, ale pravidelně pořádá telekonference. Tím se vývoj poněkud zpomalil, ale nezastavil.

Detaily technologie

Zaměřme se na hlavní novinky Wi-Fi 7.

Nový protokol fyzické úrovně je rozšířením protokolu Wi-Fi 6 s dvojnásobným zvýšením šířky pásma na 320 MHz, dvojnásobným zvýšením počtu prostorových toků MU-MIMO, což zvyšuje nominální propustnost 2×2 = 4krát. Wi-Fi 7 také začíná používat modulaci 4K-QAM, což přidává dalších 20 % k nominální propustnosti. Takto bude Wi-Fi 7 poskytovat nominální rychlost přenosu dat 2x2x1,2 = 4,8krát vyšší ve srovnání s Wi-Fi 6: maximální nominální propustnost Wi-Fi 7 je 9,6 Gb/s x 4,8 = 46 Gb/s. Kromě toho dojde k revoluční změně v protokolu fyzické úrovně související s zajištěním kompatibility s budoucími verzemi Wi-Fi, ale ta zůstane uživatelům neviditelná.
Změna metody přístupu k kanálu pro podporu aplikací v reálném čase bude provedeno s ohledem na zkušenosti IEEE 802 TSN pro drátové sítě. Probíhající diskuze ve standardizačním výboru se týkají procedury náhodného zpoždění při přístupu k kanálu, kategorií obsluhy provozu a odpovídajících samostatných front pro provoz v reálném čase, stejně jako politik obsluhy paketů.
Zavedený ve Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – metoda přístupu k kanálu s dělením podle času a frekvence (podobná té, která se používá v sítích 4G a 5G) – poskytuje nové možnosti pro optimální přerozdělení zdrojů. Nicméně v 11ax OFDMA není dostatečně flexibilní. Za prvé, umožňuje přístupovému bodu vyčlenit pro klientské zařízení pouze jeden zdrojový blok předem definované velikosti. Za druhé, nepodporuje přímý přenos mezi klientskými stanicemi. Obě nedostatky snižují spektrální účinnost. Kromě toho nedostatek flexibility zděděné z Wi-Fi 6 OFDMA zhoršuje výkon v hustých sítích a zvyšuje latenci, což je kritické pro aplikace v reálném čase. 11be vyřeší tyto problémy OFDMA.
Jedním z potvrzených revolučních změn Wi-Fi 7 je vestavěná podpora současného používání několika paralelních spojení na různých frekvencích, která je velmi užitečná jak pro obrovské rychlosti přenosu dat, tak pro extrémně nízkou latenci. Ačkoliv moderní čipové sady již mohou používat několik spojení současně, například v pásmu 2,4 a 5 GHz, tato spojení jsou nezávislá, což omezuje účinnost této operace. V 11be bude nalezena taková úroveň synchronizace mezi kanály, která umožní efektivně využívat zdroje kanálu a povede k zásadním změnám v pravidlech protokolu pro přístup k kanálu.
Používání velmi širokých kanálů a velkého počtu prostorových toků vede k problému vysokých režijních nákladů spojených s procedurou hodnocení stavu kanálu, která je potřebná pro MIMO a OFDMA. Tyto režijní náklady anulují veškeré výhody plynoucí z navýšení nominálních rychlostí přenosu dat. Očekává se, že procedura hodnocení stavu kanálu bude přepracována.
V kontextu Wi-Fi 7 se v normalizačním výboru diskutuje o použití některých „pokročilých“ metod přenosu dat. Teoreticky tyto metody zvyšují spektrální účinnost v případě opakovaných pokusů o přenos, stejně jako při současných přenosech ve stejném nebo opačném směru. Hovoříme o hybridní automatické žádosti o opakování (HARQ), kterou nyní používají mobilní sítě, o režimu full-duplex a o neortogonálním vícestupňovém přístupu (NOMA). Tyto metody byly v literatuře dobře prozkoumány teoreticky, ale zatím není jasné, zda přírůstek výkonu, který poskytují, ospravedlní úsilí vynaložené na jejich implementaci.
- Použití HARQ je komplikována následujícím problémem. V Wi-Fi dochází ke snižování režijních nákladů spojením paketů. V současných verzích Wi-Fi je každý paket v rámci spojeného potvrzen a pokud potvrzení nepřichází, je opakování přenosu paketu realizováno metodami protokolu pro přístup k kanálu. HARQ přenáší opakování z kanálové úrovně na fyzickou úroveň, kde již nejsou pakety, ale kódová slova, a hranice kódových slov se neshodují s hranicí paketů. Taková desynchronizace komplikuje implementaci HARQ ve Wi-Fi.
- Co se týče Full-Duplex, v současnosti není možné v mobilních sítích ani v síti Wi-Fi současně přenášet data na přístupový bod (základnovou stanici) a z něj v rámci stejného frekvenčního kanálu. Z technického hlediska to souvisí s velkým rozdílem v síle vysílaného a přijímaného signálu. Přestože existují prototypy, které kombinují digitální a analogové odečítání vysílaného signálu z přijatého, schopné zachytit signál Wi-Fi během své transmission, zisk, který mohou v praxi přinést, může být zanedbatelný, vzhledem k tomu, že v každém okamžiku není sestupný tok rovný vzestupnému (v průměru „v nemocnici“ je sestupný značně vyšší). Tímto způsobem by taková obousměrná komunikace značně zkomplikovala protokol.
- Pokud je pro přenos více proudů pomocí MIMO potřeba mít několik antén pro vysílač a přijímač, může v případě neortogonálního přístupu přístupový bod současně přenášet data dvěma příjemcům s jednou anténou. Různé varianty neortogonálního přístupu jsou zahrnuty v posledních specifikacích 5G. Prototyp NOMA Wi-Fi byl poprvé vyvinut v roce 2018 na IPI RAN (prosím, neberte to jako reklamu). Ukázal nárůst výkonu o 30-40%. Výhodou vyvinuté technologie je její zpětná kompatibilita: jeden z dvou příjemců může být zastaralé zařízení, které nepodporuje Wi-Fi 7. Problém zpětné kompatibility je obecně velmi důležitý, protože v síti Wi-Fi mohou současně fungovat zařízení různých generací. V současnosti několik týmů po celém světě analyzuje účinnost společného využití NOMA a MU-MIMO, jejichž výsledky určují další osud tohoto přístupu. Pokračujeme také v práci na prototypu: jeho další verze bude představena na konferenci IEEE INFOCOM v červenci 2020.
Konečně, dalším důležitým novinkou, ale s nejasným osudem, je koordinovaná práce přístupových bodů. Ačkoli mají mnozí poskytovatelé své vlastní centralizované kontrolery pro podnikové Wi-Fi sítě, byly možnosti těchto kontrolerů obvykle omezeny na nastavení dlouhodobých parametrů a volbu kanálu. Standardizační výbor diskutuje o těsnější spolupráci mezi sousedními přístupovými body, která zahrnuje koordinované plánování přenosů, beamforming (nastavení směrování signálu) a dokonce distribuované systémy MIMO. Některé z přezkoumávaných přístupů používají sekvenční potlačování rušení (přibližně to samé, co NOMA). Ačkoli přístupy pro koordinaci 11be ještě nebyly dostatečně prozkoumány, není pochyb o tom, že standard umožní přístupovým bodům různých výrobců koordinovat mezi sebou plánování přenosů, aby se snížila vzájemná interference. Co se týče dalších, složitějších přístupů (např. distribuované MU-MIMO), jejich implementace do standardu bude obtížnější, i když jednotliví členové skupiny jsou plni odhodlání to uskutečnit v rámci Release 2. Bez ohledu na výsledek je osud metod koordinace přístupových bodů nejasný. I když budou zaneseny do standardu, nemusí se dostat na trh. Podobné situace se objevily již dříve při pokusech o regulaci přenosů Wi-Fi pomocí řešení jako HCCA (11e) a HCCA TXOP Negotiation (11be).

Shrnuto, zdá se, že většina návrhů souvisejících s prvními pěti skupinami se stane součástí Wi-Fi 7, zatímco návrhy týkající se dvou posledních skupin vyžadují značný další výzkum, aby prokázaly svou účinnost.