Ve svých vývojích Huawei sází na Wi-Fi 6. Otázky od kolegů a zákazníků ohledně nové generace standardu nás přivedly k tomu, abychom napsali příspěvek o teoretických základech a fyzikálních principech, které jsou do něj zakotveny. Od historie přejdeme k fyzice, podrobně se zaměříme na to, proč jsou technologie OFDMA a MU-MIMO potřebné. Představíme i to, jak zásadně přepracované fyzické prostředí přenosu dat umožnilo dosáhnout zaručené propustnosti kanálů a takového snížení celkové úrovně zpoždění, že se staly srovnatelnými s „operátorskými“. A to i přesto, že moderní sítě na bázi 5G jsou nákladnější (v průměru 20–30krát) než obdobné indoor sítě na Wi-Fi 6.
Pro Huawei není toto téma zanedbatelné: řešení s podporou Wi-Fi 6 patří mezi naše nejprogresivnější produkty v roce 2020, do nichž byly investovány obrovské zdroje. Tady je jen jeden příklad: výzkumy v oblasti materiálového inženýrství nám umožnily vybrat slitinu, jejíž použití v rádiových prvcích přístupového bodu zvýšilo poměr „signál – šum“ o 2–3 dB: smekáme klobouk před Doronem Ezrim za toto dosažení.
Trocha historie
Historii Wi-Fi má smysl počítat od roku 1971, kdy na Havajské univerzitě profesor Norman Abramson se skupinou kolegů vyvinul, postavil a spustil bezdrátovou síť paketového přenosu dat ALOHAnet.
V roce 1980 byla schválena skupina standardů a protokolů IEEE 802, popisujících organizaci dvou spodních vrstev sedmivrstvé síťové modelu OSI. Na zveřejnění první verze 802.11 se čekalo dlouhých 17 let.
S přijetím standardu 802.11 v roce 1997, dva roky před vznikem organizace Wi-Fi Alliance, první generace dnes nejpopulárnější technologie bezdrátového přenosu dat vstoupila do velkého světa.
Standard IEEE 802. Generace Wi-Fi
Prvním standardem, který byl masivně podporován výrobci zařízení, se stal 802.11b. Jak vidíte, frekvence inovací od konce 20. století byla poměrně stabilní: pro kvalitní změny je potřeba čas. V posledních letech se veškerá práce zaměřila na zlepšení fyzického prostředí přenosu signálu. Abychom lépe pochopili současné problémy Wi-Fi, vrátíme se k jeho fyzickým základům.
Vzpomínejme na základy!
Rádiové vlny jsou zvláštním případem elektromagnetických vln, které se šíří od zdroje rušení elektrického a magnetického pole. Charakterizují se třemi základními parametry: vlnovým vektorem a vektory intenzity elektrického a magnetického pole. Všechny tři jsou navzájem kolmé. Frekvencí vlny se obvykle rozumí počet opakujících se kmitů, které se vejdou do jednotky času.
Všechna tato jsou obecně známá fakta. Abychom však došli až na konec, musíme začít úplně na začátku.
Na hypotetické škále frekvenčních pásem elektromagnetického záření zabírá rádiové pásmo nejnižší (nízkofrekvenční) část. Patří sem elektromagnetické vlny s frekvencemi kmitání od 3 Hz do 3000 GHz. Všechna ostatní pásma, včetně viditelného světla, mají mnohem vyšší frekvenci.
Čím vyšší je frekvence, tím větší energii lze rádiové vlně předat, nicméně zároveň hůře obchází překážky a rychleji zaniká. Platí i opak. S ohledem na tyto zvláštnosti byly pro práci s Wi-Fi zvoleny dvě hlavní frekvenční pásma — 2,4 GHz (frekvenční rozsah 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 vlivy zpráv navzájem neovlivňovaly kvůli interferenčnímu efektu, je obvyklé rozdělit frekvenční pásmo na jednotlivé úzké úseky — kanály s touto či onou . Na schématu výše je vidět, že sousední kanály 1 a 2 s propustností 20 MHz si vzájemně brání, zatímco 1 a 6 si nebrání.
Signál v rámci kanálu se přenáší pomocí rádiové vlny na určité nosné frekvenci. Pro přenos informací mohou být parametry vlny podle frekvence, amplitudy nebo fáze.
Rozdělení kanálů ve frekvenčních pásmech Wi-Fi
Frekvenční pásmo 2,4 GHz je rozděleno na 14 částečně se překrývajících kanálů optimální šířky — 20 MHz. Dříve se považovalo, že to je zcela dostatečné pro uspořádání složité bezdrátové sítě. Brzy se však ukázalo, že kapacita pásma se rychle vyčerpává, a proto bylo přidáno pásmo 5 GHz, jehož spektrální kapacita je mnohem vyšší. V něm, kromě 20MHz kanálů, je možné vyčlenit kanály o šířce 40 a 80 MHz.
Pro zvýšení efektivity využívání rádiového frekvenčního spektra se v současnosti široce uplatňuje technologie vícerozměrného multiplexování s ortogonálním dělením frekvencí ().
) znamená použití nejen nosné frekvence, ale také několika podnosných frekvencí ve stejném kanále, což umožňuje paralelní přenos dat. OFDM umožňuje distribuovat provoz dostatečně pohodlným „granulárním“ způsobem, ale vzhledem k svému věku si zachovává řadu zásadních nevýhod. Mezi nimi jsou principy fungování podle síťového protokolu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), podle kterého může v určitém okamžiku na jedné nosné a podnosné frekvenci pracovat pouze jeden uživatel.
Prostorové toky
Důležitým způsobem, jak zvýšit propustnost bezdrátové sítě, je využití prostorových toků.
Bod přístupu nese několik rádiomodulů (jeden, dva nebo více), které jsou připojeny k určitému počtu antén. Tyto antény vyzařují podle určitého schématu a modulace, a my dostáváme informace přenesené bezdrátovým prostředím. Prostorový tok může být vytvářen mezi konkrétní fyzickou anténou (rádiomodulem) bodu přístupu a uživatelským zařízením. Díky tomu se celkový objem přenášených informací z bodu přístupu zvyšuje násobně podle počtu toků (antén).
Podle aktuálních standardů je v pásmu 2,4 GHz možné realizovat až čtyři prostorové toky, v pásmu 5 GHz - až osm.
Dříve, při práci v pásmech 2,4 a 5 GHz, jsme se orientovali pouze na počet rádiových modulů. Přítomnost druhého rádiového modulu poskytovala dodatečnou flexibilitu, protože umožňovala starým uživatelským zařízením fungovat na frekvenci 2,4 GHz, zatímco novým na frekvenci 5 GHz. S příchodem třetího a dalších rádiových modulů se objevily určité problémy. Vyzařující prvky mají tendenci vzájemně se ovlivňovat, což zvyšuje náklady zařízení v souvislosti s nutností přesnějšího návrhu a vybavení přístupového bodu kompenzačními filtry. Takže teprve nedávno bylo možné současně podporovat 16 prostorových toků na jeden přístupový bod.
Praktická a teoretická rychlost
Kvůli mechanismům fungování OFDM jsme nemohli dosáhnout maximální propustnosti sítě. Teoretické výpočty pro praktickou aplikaci OFDM byly provedeny již dávno a pouze se vztahem na ideální prostředí, kde se předpokládalo dostatečně vysoké poměr signál-šum (SNR) a pravděpodobnost chyby na bitu (BER). V moderních podmínkách silného rušení všech námi zajímajících radiových frekvenčních spekter jsou ukazatele propustnosti sítí založených na OFDM znepokojivě malé. A protokol nesl tyto nedostatky až do nedávné doby, dokud nepřišla na pomoc technologie OFDMA (ortogonální vícerozměrný přístup k frekvenci). O té — později.
Pojďme si promluvit o anténách
Jak víte, každá anténa má svůj zisk, na základě jehož hodnoty je vytvořen prostorový vzor šíření signálu (beamforming) s určitou pokrytím (nebereme v úvahu odrazy signálů atd.). Na tomto se vždy zakládaly úvahy projektantů ohledně toho, kde přesně by měly být umístěny přístupové body. Dlouho tvar vzoru zůstával nezměnitelný a pouze se zvětšoval nebo zmenšoval úměrně vlastnostem antény.
Moderní anténní prvky se stávají stále více řízenými a umožňují dynamicky měnit prostorový vzor šíření signálu v reálném čase.
Na obrázku vlevo nahoře je znázorněn princip šíření rádiových vln při použití standardní všesměrové antény. Zvyšováním výkonu signálu jsme mohli měnit pouze rádius pokrytí, aniž bychom mohli výrazně ovlivnit kvalitu používání kanálu — KQI (Klíčové kvalitativní indikátory). Tento ukazatel je nesmírně důležitý při organizaci spojení v podmínkách častého pohybu uživatelského zařízení v bezdrátovém prostředí.
Řešením problému bylo použití velkého množství malých antén, jejichž zatížení lze regulovat v reálném čase, čímž se formují vzory šíření v závislosti na prostorovém umístění uživatele.
Tak se podařilo přiblížit k aplikaci technologie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). S její pomocí vytváří přístupový bod v každém okamžiku tok záření zaměřený přímo na uživatelská zařízení.
Od fyziky ke standardům 802.11
S rozvojem standardů Wi-Fi se měnily principy práce s fyzickou vrstvou sítě. Použití jiných modulačních mechanismů dalo možnost — počínaje verzemi 802.11g/n — vměstnat do časového okna mnohem více informací a tím pádem pracovat s větším počtem uživatelů. Kromě toho bylo toho dosaženo i díky použití prostorových toků. A nově získaná flexibilita ohledně šířky kanálu umožnila vytvářet více zdrojů pro MIMO.
Na příští rok se plánuje schválení standardu Wi-Fi 7. Co se s jeho příchodem změní? Kromě obvyklého nárůstu rychlosti a přidání pásma 6 GHz se objeví možnost pracovat s širokými agregovanými kanály, jako je 320 MHz. To je zvlášť zajímavé v kontextu průmyslového využití.
Teoretická propustnost Wi-Fi 6
Teoretický vzorec pro výpočet nominální rychlosti Wi-Fi 6 je dost složitý a závisí na mnoha parametrech, počínaje počtem prostorových toků a konče informacemi, které můžeme vložit do podnosné (nebo podnosných, pokud jich je několik) za jednotku času.
Jak vidíte, prostorové toky mají velký vliv na výkon. Předtím však zvyšování jejich počtu v kombinaci s použitím STC (Space-Time Coding) a MRC (Maximum Ratio Combining) zhoršovalo funkčnost bezdrátového řešení jako celku.
Nové klíčové technologie fyzické úrovně
Přejdeme k klíčovým technologiím fyzické úrovně — a začneme s první úrovní síťového modelu OSI.
Připomeňme, že v OFDM se používá určité množství podnosných, které mohou přenášet určitý objem informací, aniž by se vzájemně ovlivňovaly.
V tomto příkladu používáme frekvenční pásmo 5,220 GHz, které zahrnuje 48 podkanálů. Agregací tohoto kanálu získáme více podnosných, na každé z nichž se používá vlastní modulační schéma.
Ve Wi-Fi 5 se používá kvadraturní modulace 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), která umožňuje vytvářet v rámci nosné frekvence v jednom časovém slotu pole 16 x 16 bodů, které se liší amplitudou a fází. Nevýhodou je, že v každém okamžiku může na nosné frekvenci přenášet pouze jedna stanice.
M multiplexing s ortogonálním frekvenčním dělením kanálů (OFDMA) přišel ze světa mobilních operátorů, rozšířil se spolu s LTE a používá se pro organizaci downlinku (kanál spojení k uživateli). Umožňuje pracovat s kanálem na úrovni tzv. zdrojových jednotek. Tyto jednotky pomáhají rozdělit blok na určité množství komponentů. V rámci bloku můžeme v každém okamžiku nepracovat pouze s jedním vyzařujícím prvkem (uživatelem nebo přístupovým bodem), ale kombinovat desítky prvků. To dovoluje dosahovat pozoruhodných výsledků.
Jednoduché spojení kanálů ve Wi-Fi 6
Spojení kanálů (Channel Bonding) ve Wi-Fi 6 umožňuje získávat sloučené kanály o šířce od 20 do 160 MHz. Spojení přitom nemusí být provedeno v sousedních pásmech. Například jeden blok může být z pásma 5,17 GHz a druhý z pásma 5,135 GHz. To umožňuje flexibilně vytvářet rádiové prostředí i při silných interferenčních faktorech nebo při sousedství s jinými stálými vysílacími stanicemi.
Od SIMO k MIMO
Metoda MIMO nebyla s námi vždy. V minulosti byla mobilní komunikace omezena na režim SIMO, který vyžadoval, aby uživatelská stanice měla několik antén, které současně pracovaly na příjmu informací.
MU-MIMO má za cíl přenášet informace uživatelům, přičemž využívá veškeré aktuální anténní kapacity. To odstraňuje dříve uplatňovaná omezení protokolem CSMA/CA, která byla spojena s posíláním tokenů pro přenos na uživatelská zařízení. Nyní se uživatelé sdružují do skupin a každý člen skupiny získává svou část zdrojů anténní kapacity přístupového bodu, aniž by čekal na svou příležitost.
Tvorba rádiového paprsku
Důležitým pravidlem MU-MIMO je udržování takového režimu práce antén, který nezpůsobuje vzájemné překrývání rádiových vln a ztrátu informací v důsledku složení fází.
To vyžaduje složité matematické výpočty na straně přístupového bodu. Pokud terminál tuto funkci podporuje, MU-MIMO mu umožňuje informovat přístupový bod o tom, s jakým zpožděním přijímá signál na každou konkrétní anténu. A přístupový bod na oplátku přizpůsobuje své antény pro vytvoření optimálně směrovaného paprsku.
Co nám to celkově přináší?
V tabulce jsou aktuální scénáře použití Wi-Fi předchozích generací označeny bílými kolečky s čísly. Modrá kolečka (viz ilustrace výše) popisují možnosti Wi-Fi 6, zatímco šedá jsou záležitostí blízké budoucnosti.
Hlavní výhody, které nová řešení s podporou OFDMA přinášejí, souvisejí se zdrojovými jednotkami implementovanými na úrovni srovnatelném s TDM (časová dělení multiplexování). Dříve něco takového ve Wi-Fi nebylo. To umožňuje jasné řízení přiřazeného pásma, zajišťující minimální dobu průchodu signálu prostředím a požadovanou úroveň spolehlivosti. Nikdo nepochybuje o tom, že spolehlivost Wi-Fi potřebuje zlepšení.
Historie se vyvíjí jako spirála a současná situace se podobá té, která nastala kolem Ethernetu. Už tehdy bylo ustáleno, že přenosové prostředí CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) nezaručuje žádnou garantovanou propustnost. A to trvalo až do přechodu na IEEE 802.3z.
Pokud jde o obecné modely aplikací, jak vidíte, s každou generací Wi-Fi narůstají scénáře jeho použití, které jsou stále citlivější na latence, celkový a spolehlivost.
A znovu o fyzickém prostředí
A nyní o tom, co tvoří nové fyzické prostředí. Při použití CSMA/CA a OFDM zvyšující se počet aktivních bodů (Active STA) vedl k výraznému poklesu propustnosti 20megahertzového kanálu. To bylo způsobeno již zmíněnými, nikoli zcela novými technologiemi STC (Space-Time Coding) a MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA díky použití zdrojových jednotek může efektivně spolupracovat s vzdálenými a slabě výkonnými stanicemi. Máme možnost pracovat v jednom nosné frekvenci s uživateli, kteří spotřebovávají různé objemy zdrojů. Jeden uživatel může obsadit jednu jednotku, zatímco jiný může využít všechny ostatní.
Proč OFDMA nebylo dříve?
A konečně, hlavní otázka: proč OFDMA dříve neexistovalo? Jak zvláštní, vše se točilo kolem peněz.
Dlouho se považovalo, že cena Wi-Fi modulu by měla být minimální. Při spuštění protokolu do komerčního provozu v roce 1997 bylo rozhodnuto, že výrobní náklady takového modulu nemohou překročit 1 USD. Jako důsledek technologie se vyvíjela suboptimálně. Zde nezohledňujeme operátorské LTE, kde se OFDMA používá už dlouho.
Nakonec pracovní skupina pro Wi-Fi rozhodla, že vezme tyto technologie ze světa operátorů a přenese je do světa podnikových sítí. Hlavním úkolem byl přechod na použití kvalitnějších komponentů, jako jsou filtry a oscilátory.
Proč jsme měli takové potíže s prací ve starých kódováních MRC s interferencí nebo bez ní? Protože mechanismus formování paprsku MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) dramaticky zvyšoval počet chyb, jakmile jsme se pokusili zkombinovat velké množství vysílacích bodů. OFDMA dokázal, že je to řešitelné.
Boj s interferencí je nyní založen na matematice. Pokud je okno pro přenos informací dostatečně dlouhé, vznikající dynamická interference způsobuje problémy. Nové algoritmy umožňují se jim vyhnout, vylučující vliv nejen interferencí spojených s přenosem Wi-Fi, ale i jakýchkoli jiných, které v tomto pásmu vznikají.
Díky adaptivnímu boji s interferencí můžeme získat zisk až 11 dB, i v náročném nerovnoměrném prostředí. Využití vlastních algoritmických řešení Huawei umožnilo dosáhnout výrazné optimalizace právě tam, kde je to potřeba – v indoor řešeních. To, co funguje dobře v 5G, nemusí být nutně efektivní v prostředí Wi-Fi 6. Přístupy Massive MIMO a MU-MIMO se liší v případě indoor a outdoor řešení. Tam, kde je to potřeba, je vhodné použít nákladná řešení, jako v 5G. Ale jsou zapotřebí i jiné možnosti, jako Wi-Fi 6, které mohou zajistit latence a další parametry, na které jsme si zvykli očekávat od operátorů komunikací.
Přijímáme od nich ty nástroje, které budou užitečné pro nás jako pro firemní zákazníky, a to vše za účelem poskytnout fyzické prostředí, na které se lze spolehnout.
***
Mimochodem, nezapomeňte na naše četné webináře k novinkám Huawei z roku 2020, které se konají nejen v ruském segmentu, ale i na globální úrovni. Seznam webinářů na nadcházející týdny je k dispozici na .
Zdroj: habr.com
