Huawei ve svém vývoji spoléhá na Wi-Fi 6. A otázky kolegů a zákazníků ohledně nové generace standardu nás přiměly napsat příspěvek o teoretických základech a fyzikálních principech v něm obsažených. Pojďme od historie k fyzice a podívejme se podrobně na to, proč jsou potřebné technologie OFDMA a MU-MIMO. Povězme si také, jak zásadně přepracované fyzické médium pro přenos dat umožnilo dosáhnout garantované kapacity kanálu a takového snížení celkové úrovně zpoždění, že se staly srovnatelnými se zpožděním operátora. A to i přesto, že moderní sítě založené na 5G jsou dražší (v průměru 20–30krát) než vnitřní sítě Wi-Fi 6 s podobnými schopnostmi.
Pro Huawei to není téma v žádném případě nečinné: řešení podporující Wi-Fi 6 patří mezi naše nejprůlomovější produkty v roce 2020, do kterých byly investovány obrovské prostředky. Zde je jen jeden příklad: výzkum v oblasti materiálové vědy nám umožnil vybrat slitinu, jejíž použití v rádiových prvcích přístupového bodu zvýšilo poměr signálu k šumu o 2–3 dB: klobouk dolů před Doronem Ezrim za tento úspěch.
Trocha historie
Dává smysl počítat historii Wi-Fi až do roku 1971, kdy na Havajské univerzitě profesor Norman Abramson se skupinou kolegů vyvinul, postavil a spustil bezdrátovou paketovou datovou síť ALOHAnet.
V roce 1980 byla schválena skupina standardů a protokolů IEEE 802, popisující organizaci dvou nižších vrstev sedmivrstvého modelu sítě OSI. Na vydání první verze 802.11 jsme si museli počkat dlouhých 17 let.
S přijetím standardu 1997 v roce 802.11, dva roky před zrodem Wi-Fi Alliance, vstoupila do širšího světa první generace dnes nejpopulárnější bezdrátové datové technologie.
Standard IEEE 802. Generace Wi-Fi
První standard skutečně široce podporovaný výrobci zařízení byl 802.11b. Jak vidíte, frekvence inovací je od konce XNUMX. století poměrně stabilní: kvalitativní změny vyžadují čas. V posledních letech bylo vykonáno mnoho práce na zlepšení fyzického média pro přenos signálu. Abychom lépe porozuměli moderním problémům Wi-Fi, pojďme se věnovat jeho fyzickým základům.
Připomeňme si základy!
Rádiové vlny jsou speciálním případem elektromagnetických vln – šířících se od zdroje poruch elektrického a magnetického pole. Jsou charakterizovány třemi hlavními parametry: vlnovým vektorem a také vektory intenzity elektrického a magnetického pole. Všechny tři jsou na sebe navzájem kolmé. V tomto případě se frekvence vlny obvykle nazývá počet opakujících se kmitů, které se vejdou do jednotky času.
To vše jsou známá fakta. Abychom však dosáhli konce, jsme nuceni začít od úplného začátku.
Na konvenční stupnici frekvenčních rozsahů elektromagnetického záření zaujímá rádiový rozsah nejnižší (nízkofrekvenční) část. Zahrnuje elektromagnetické vlny s frekvencí kmitání od 3 Hz do 3000 GHz. Všechna ostatní pásma, včetně viditelného světla, mají mnohem vyšší frekvenci.
Čím vyšší frekvence, tím více energie lze předat rádiové vlně, ale zároveň se hůře ohýbá kolem překážek a rychleji utlumuje. Platí to i naopak. S přihlédnutím k těmto vlastnostem byly pro provoz Wi-Fi vybrány dva hlavní frekvenční rozsahy - 2,4 GHz (frekvenční pásmo od 2,4000 do 2,4835 GHz) a 5 GHz (frekvenční pásma 5,170-5,330, 5,490-5,730 a 5,735-5,835 GHz).
Rádiové vlny se šíří všemi směry, a aby se zprávy vzájemně neovlivňovaly vlivem rušení, je frekvenční pásmo obvykle rozděleno na samostatné úzké úseky - kanály s jedním nebo druhým . Výše uvedené schéma ukazuje, že sousední kanály 1 a 2 se šířkou pásma 20 MHz se budou navzájem rušit, ale 1 a 6 ne.
Signál uvnitř kanálu je přenášen pomocí rádiových vln na určité nosné frekvenci. Pro přenos informací mohou být parametry vln podle frekvence, amplitudy nebo fáze.
Oddělení kanálů ve frekvenčních rozsazích Wi-Fi
Frekvenční rozsah 2,4 GHz je rozdělen do 14 částečně se překrývajících kanálů s optimální šířkou 20 MHz. Kdysi se věřilo, že to stačí k uspořádání složité bezdrátové sítě. Brzy se ukázalo, že kapacita dosahu se rychle vyčerpává, a tak k němu přibyl rozsah 5 GHz, jehož spektrální kapacita je mnohem vyšší. V něm je možné kromě 20 MHz kanálů přidělovat kanály o šířce 40 a 80 MHz.
Pro další zlepšení efektivity využívání rádiového frekvenčního spektra se nyní široce používá technologie ortogonálního frekvenčního multiplexování ().
Zahrnuje použití, spolu s nosnou frekvencí, několika dílčích nosných frekvencí ve stejném kanálu, což umožňuje provádět paralelní přenos dat. OFDM umožňuje distribuovat provoz poměrně pohodlným „granulovaným“ způsobem, ale vzhledem ke svému úctyhodnému stáří si zachovává řadu významných nevýhod. Patří mezi ně principy práce pomocí síťového protokolu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), podle kterého může na jedné nosné a subnosné v určitých časech pracovat pouze jeden uživatel.
Prostorové toky
Důležitým způsobem, jak zvýšit propustnost bezdrátové sítě, je využití prostorových toků.
Přístupový bod nese několik rádiových modulů (jeden, dva nebo více), které jsou připojeny k určitému počtu antén. Tyto antény vyzařují podle určitého vzoru a modulace a vy i já přijímáme informace přenášené přes bezdrátové médium. Prostorový tok může být vytvořen mezi specifickou fyzickou anténou (rádiovým modulem) přístupového bodu a uživatelským zařízením. Díky tomu se celkový objem informací přenášených z přístupového bodu násobkem počtu streamů (antén).
Podle současných standardů lze v pásmu 2,4 GHz implementovat až čtyři prostorové toky, v pásmu 5 GHz až osm.
Dříve jsme se při práci v pásmech 2,4 a 5 GHz zaměřovali pouze na počet rádiových modulů. Přítomnost druhého rádiového modulu poskytla další flexibilitu, protože umožňovala starým účastnickým zařízením pracovat na frekvenci 2,4 GHz a novým zařízením pracovat na frekvenci 5 GHz. S příchodem třetího a dalších rádiových modulů nastaly určité problémy. Vyzařující prvky mají tendenci se vzájemně rušit, což zvyšuje náklady na zařízení z důvodu potřeby lepšího návrhu a vybavení přístupového bodu kompenzačními filtry. Takže teprve nedávno bylo možné současně podporovat 16 prostorových toků na přístupový bod.
Praktická a teoretická rychlost
Kvůli provozním mechanismům OFDM jsme nemohli získat maximální propustnost sítě. Teoretické výpočty pro praktickou implementaci OFDM byly provedeny již dávno a pouze ve vztahu k ideálním prostředím, kde se předvídatelně očekával poměrně vysoký odstup signálu od šumu (SNR) a bitová chybovost (BER). V moderních podmínkách silného šumu ve všech rádiových frekvenčních spektrech, které nás zajímají, je propustnost sítí na bázi OFDM depresivně nízká. A protokol tyto nedostatky nesl až do nedávné doby, dokud nepřišla na pomoc technologie OFDMA (ortogonal frequency-division multiple access). O ní - trochu dále.
Pojďme se bavit o anténách
Jak víte, každá anténa má zisk, podle jehož hodnoty se s určitou oblastí pokrytí vytváří prostorový obrazec šíření signálu (beamforming) (nebereme v úvahu zpětný odraz signálu apod.). To je přesně to, co designéři vždy zakládali na tom, kde přesně by měly být umístěny přístupové body. Po dlouhou dobu zůstal tvar obrazce nezměněn a pouze se zvětšoval nebo zmenšoval úměrně charakteristikám antény.
Moderní anténní prvky jsou stále lépe ovladatelné a umožňují dynamické změny v prostorovém vzoru šíření signálu v reálném čase.
Levý obrázek výše ukazuje princip šíření rádiových vln pomocí standardní všesměrové antény. Zvýšením výkonu signálu jsme mohli změnit pouze poloměr pokrytí bez možnosti výrazně ovlivnit kvalitu využití kanálu - KQI (Key Quality Indicators). A tento indikátor je mimořádně důležitý při organizaci komunikace v podmínkách častého pohybu účastnického zařízení v bezdrátovém prostředí.
Řešením problému bylo použití velkého množství malých antén, jejichž zatížení lze v reálném čase upravovat a vytvářet tak vzory šíření v závislosti na prostorové poloze uživatele.
Bylo tak možné přiblížit se použití technologie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). S jeho pomocí přístupový bod kdykoli generuje toky záření nasměrované specificky na účastnická zařízení.
Od fyziky po standardy 802.11
Jak se standardy Wi-Fi vyvíjely, měnily se principy práce s fyzickou vrstvou sítě. Použití dalších modulačních mechanismů umožnilo – počínaje verzemi 802.11g/n – vměstnat do časového slotu mnohem větší množství informací a v souladu s tím pracovat s větším počtem uživatelů. Toho bylo mimo jiné dosaženo využitím prostorových toků. A nově nalezená flexibilita, pokud jde o šířku kanálu, umožnila generovat více zdrojů pro MIMO.
Na příští rok je naplánováno schválení standardu Wi-Fi 7. Co se s jeho příchodem změní? Kromě obvyklého zvýšení rychlosti a přidání pásma 6 GHz bude možné pracovat s širokými agregovanými kanály, například 320 MHz. To je zvláště zajímavé v kontextu průmyslových aplikací.
Teoretická propustnost Wi-Fi 6
Teoretický vzorec pro výpočet nominální rychlosti Wi-Fi 6 je poměrně složitý a závisí na mnoha parametrech, počínaje počtem prostorových toků a konče informacemi, které můžeme vložit do dílčí nosné (nebo dílčích nosných, pokud jich je více). je) za jednotku času.
Jak vidíte, hodně záleží na prostorových tocích. Dříve však nárůst jejich počtu v kombinaci s použitím STC (Space-Time Coding) a MRC (Maximum Ratio Combining) zhoršil výkon bezdrátového řešení jako celku.
Nové klíčové technologie fyzické vrstvy
Přejděme ke klíčovým technologiím fyzické vrstvy – a začněme první vrstvou modelu sítě OSI.
Připomeňme, že OFDM využívá určitý počet dílčích nosných, které, aniž by se navzájem ovlivňovaly, jsou schopny přenášet určité množství informací.
V příkladu používáme pásmo 5,220 GHz, které obsahuje 48 subkanálů. Agregací tohoto kanálu získáme větší počet dílčích nosných, z nichž každá používá své vlastní modulační schéma.
Wi-Fi 5 využívá kvadraturní amplitudovou modulaci 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), která umožňuje vytvořit pole 16 x 16 bodů v rámci nosné frekvence v jednom časovém slotu, lišících se amplitudou a fází. Nevýhoda spočívá v tom, že v daný okamžik může na nosné frekvenci vysílat pouze jedna stanice.
Ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením (OFDMA) přišlo ze světa mobilních operátorů, rozšířilo se současně s LTE a používá se k organizaci downlinku (komunikačního kanálu k účastníkovi). Umožňuje pracovat s kanálem na úrovni tzv. zdrojových jednotek. Tyto jednotky pomáhají rozložit blok na určitý počet komponent. V rámci bloku nemůžeme v každém okamžiku pracovat striktně s jedním emitujícím prvkem (uživatelem nebo přístupovým bodem), ale kombinovat desítky prvků. To vám umožní dosáhnout pozoruhodných výsledků.
Snadné připojení kanálů ve Wi-Fi 6
Channel Bonding ve Wi-Fi 6 umožňuje získat kombinované kanály o šířce 20 až 160 MHz. Navíc připojení nemusí být provedeno v blízkých oblastech. Například jeden blok může být odebrán z pásma 5,17 GHz a druhý z pásma 5,135 GHz. To vám umožňuje flexibilně budovat rádiové prostředí i v přítomnosti silných rušivých faktorů nebo v blízkosti jiných neustále vysílacích stanic.
Od SIMO k MIMO
Metoda MIMO u nás nebyla vždy. Kdysi musela být mobilní komunikace omezena na režim SIMO, což znamenalo přítomnost několika antén na účastnické stanici současně pracujících na příjmu informací.
MU-MIMO je navrženo tak, aby přenášelo informace uživatelům pomocí celého stávajícího anténního fondu. To odstraňuje omezení dříve uložená protokolem CSMA/CA spojená s odesíláním tokenů do zařízení předplatitelů za účelem přenosu. Nyní jsou uživatelé sjednoceni ve skupině a každý člen skupiny dostává svůj podíl na zdroji antény přístupového bodu, místo aby čekal, až na něj přijde řada.
Tvorba rádiového paprsku
Důležitým pravidlem pro provoz MU-MIMO je zachování takového režimu činnosti anténního pole, který by nevedl k vzájemnému překrývání rádiových vln a ztrátě informace v důsledku sčítání fáze.
To vyžaduje složité matematické výpočty na straně přístupového bodu. Pokud terminál tuto funkci podporuje, MU-MIMO mu umožňuje sdělit přístupovému bodu, jak dlouho trvá příjem signálu na každé konkrétní anténě. A přístupový bod zase nastaví své antény tak, aby vytvořily optimálně směrovaný paprsek.
Co nám to obecně dává?
Bílé kruhy s čísly v tabulce označují aktuální scénáře používání Wi-Fi předchozích generací. Modré kroužky (viz obrázek výše) popisují možnosti Wi-Fi 6 a ty šedé jsou záležitostí blízké budoucnosti.
Hlavní výhody, které nová řešení s podporou OFDMA přinášejí, se týkají zdrojových jednotek implementovaných na úrovni podobné TDM (Time Division Multiplexing). To u Wi-Fi nikdy předtím nebylo. To vám umožňuje jasně řídit přidělenou šířku pásma, což zajišťuje minimální dobu průchodu signálu médiem a požadovanou úroveň spolehlivosti. Naštěstí nikdo nepochybuje o tom, že indikátory spolehlivosti Wi-Fi potřebují zlepšení.
Historie se pohybuje ve spirále a současná situace je podobná té, která se svého času vyvíjela kolem Ethernetu. Již tehdy se ustálil názor, že přenosové médium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) neposkytuje žádnou garantovanou propustnost. A to pokračovalo až do přechodu na IEEE 802.3z.
Pokud jde o obecné aplikační modely, jak můžete vidět, s každou generací Wi-Fi se množí scénáře jejího použití, jsou stále citlivější na zpoždění, obecné a spolehlivost.
A opět o fyzickém prostředí
Nyní si promluvme o tom, jak se formuje nové fyzické prostředí. Při použití CSMA/CA a OFDM vedlo zvýšení počtu aktivních STA k vážnému poklesu propustnosti kanálu 20 MHz. Bylo to způsobeno tím, co již bylo zmíněno: nikoli nejnovějšími technologiemi STC (Space-Time Coding) a MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA může pomocí zdrojových jednotek efektivně interagovat s dálkovými stanicemi a stanicemi s nízkým výkonem. Získáváme příležitost pracovat ve stejném rozsahu operátorů s uživateli spotřebovávajícími různé množství zdrojů. Jeden uživatel může obsadit jednu jednotku a další - všechny ostatní.
Proč tam OFDMA nebylo dříve?
A nakonec hlavní otázka: proč předtím neexistovala OFDMA? Kupodivu to všechno sešlo na peníze.
Dlouho se věřilo, že cena modulu Wi-Fi by měla být minimální. Když byl protokol v roce 1997 uveden do komerčního provozu, bylo rozhodnuto, že výrobní náklady na takový modul nesmějí přesáhnout 1 dolar. V důsledku toho se vývoj technologií ubíral neoptimální cestou. Zde nebereme v úvahu operátora LTE, kde se OFDMA používá již poměrně dlouho.
Nakonec se pracovní skupina pro Wi-Fi rozhodla převzít tento vývoj ze světa telekomunikačních operátorů a přenést je do světa podnikových sítí. Hlavním úkolem byl přechod na používání kvalitnějších prvků, jako jsou filtry a oscilátory.
Proč pro nás bylo tak obtížné pracovat ve starém kódování MRC s rušením nebo bez něj? Protože mechanismus tvarování paprsku MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) dramaticky zvýšil počet chyb, jakmile jsme se pokusili zkombinovat velký počet vysílacích bodů. OFDMA prokázala, že problém lze vyřešit.
Boj proti interferenci je nyní založen na matematice. Pokud je přenosové okno dostatečně dlouhé, výsledné dynamické rušení způsobuje problémy. Nové provozní algoritmy umožňují se jim vyhnout a eliminují vliv nejen rušení spojeného s přenosem Wi-Fi, ale také jakéhokoli jiného, který se vyskytuje v tomto rozsahu.
Díky adaptivnímu anti-rušení můžeme dosáhnout zisků až 11 dB i ve složitých heterogenních prostředích. Použití vlastních algoritmických řešení Huawei umožnilo dosáhnout seriózní optimalizace přesně tam, kde to bylo potřeba – v interiérových řešeních. Co je dobré v 5G, nemusí být nutně dobré v prostředí Wi-Fi 6. Masivní přístupy MIMO a MU-MIMO se liší v případě vnitřních a venkovních řešení. V případě potřeby je vhodné použít drahá řešení, jako v 5G. Jsou ale potřeba další možnosti, jako je Wi-Fi 6, která dokáže zajistit latenci a další metriky, které jsme od operátorů očekávali.
Půjčujeme si od nich nástroje, které se nám jako podnikovým spotřebitelům budou hodit, a to vše ve snaze poskytnout fyzické prostředí, na které se můžeme spolehnout.
***
Mimochodem, nezapomeňte na naše četné webináře o nových produktech Huawei z roku 2020, které se konají nejen v segmentu ruského jazyka, ale také na celosvětové úrovni. Seznam webinářů na nadcházející týdny je k dispozici na .
Zdroj: www.habr.com