🥇Hvad kan vi forvente fra Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

For nylig kom der enheder på markedet, der understøtter Wi-Fi 6-teknologi (IEEE 802.11ax), som der tales meget om. Men få ved, at der allerede nu arbejdes på næste generation af Wi-Fi-teknologi – Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Hvad Wi-Fi 7 vil indebære, vil blive beskrevet i denne artikel.

Background

I september 2020 fejrer vi 30-årsdagen for IEEE 802.11-projektet, som har haft en betydelig indflydelse på vores liv. I øjeblikket er Wi-Fi-teknologi, defineret af familien af standarder IEEE 802.11, den mest populære trådløse teknologi, der anvendes til internetforbindelse: Wi-Fi transmitterer mere end halvdelen af brugertrafikken. Mens mobilteknologier genintroducerer sig selv hvert årti, som for eksempel ved at erstatte navnet 4G med 5G, sker forbedringer i hastigheden for Wi-Fi og introduktionen af nye tjenester og funktioner stort set uset for brugerne. Kun få kunder bekymrer sig om bogstaverne „n“, „ac“ eller „ax“, der følger efter „802.11“ på udstyrets emballage. Men det betyder ikke, at Wi-Fi ikke udvikler sig.

Et af beviserne på Wi-Fi's udvikling er den markante stigning i de nominelle hastigheder for dataoverførsel: fra 2 Mbit/s i versionen fra 1997 til næsten 10 Gbit/s i den nyeste standard 802.11ax, også kendt som Wi-Fi 6. Moderne Wi-Fi opnår denne præstationsfremgang takket være hurtigere signal-kode-konstruktioner, bredere kanaler og brugen af teknologier. MIMO.

Udover det primære fokus på højhastighedstrådløse lokalnetværk omfatter Wi-Fi's evolution flere nicheprojekter. For eksempel er Wi-Fi HaLow (802.11ah) et forsøg på at bringe Wi-Fi ind på markedet for trådløse Internet of Things. Wi-Fi i millimeterområdet (802.11ad/ay) understøtter nominelle datahastigheder op til 275 Gbit/s, dog over meget korte afstande.

De nye applikationer og tjenester relateret til højopløsnings videostrømme, virtuel og augmented reality, gaming, fjernarbejde og cloud computing samt behovet for at understøtte et stort antal brugere med intens trafik i trådløse netværk kræver høj ydeevne.

Målene for Wi-Fi 7

I maj 2019 begyndte en undergruppe af BE (TGbe) arbejdsgruppen for 802.11 i komiteen for standardisering af lokale og metropolitanske netværk at arbejde på et nyt supplement til Wi-Fi-standarden, som vil øge den nominelle båndbredde til mere end 40 Gbit/s på en frekvenskanal, der er "typisk" for Wi-Fi-båndet <= 7 GHz. Selvom mange dokumenter nævner "maksimal båndbredde på mindst 30 Gbit/s", vil den nye fysiske protokol sikre en nominelt hastighed på over 40 Gbit/s.

Et andet vigtigt område inden for Wi-Fi 7s udvikling er understøttelse af realtidsapplikationer (spil, virtuel og udvidet virkelighed, robotstyring). Bemærkelsesværdigt er det, at selvom Wi-Fi på en særlig måde leverer lyd- og videodata, blev det i lang tid anset for umuligt at sikre lav latenstid (i millisekunder) på standardniveau, også kendt som Time-Sensitive Networking, i Wi-Fi-netværk. I november 2017 fremlagde vores team fra IPPI RAN og HSE (betragt det ikke som PR) et tilsvarende forslag i IEEE 802.11 gruppen. Forslaget skabte stor interesse, og i juli 2018 blev der nedsat en særlig undergruppe for yderligere at undersøge emnet. Da der kræves både høje nominelle dataoverførselshastigheder og en udvidelse af funktionaliteten på datalinklaget for at understøtte realtidsapplikationer, besluttede arbejdsgruppen for 802.11 at udvikle metoder til at understøtte realtidsapplikationer inden for rammerne af Wi-Fi 7.

Et vigtigt spørgsmål vedrørende Wi-Fi 7 er dets samexistens med mobilnetværksteknologier (4G/5G), der udvikles af 3GPP og opererer i de samme uautoriserede frekvensbånd. Det handler om LTE-LAA/NR-U. For at undersøge de problemer, der er forbundet med samexistensen af Wi-Fi og mobilnetværk, har IEEE 802.11 startet Coexisting Standing Committee (Coex SC). På trods af adskillige møder og endda et fælles seminar for deltagerne fra 3GPP og IEEE 802.11 i juli 2019 i Wien, er de tekniske løsninger endnu ikke blevet godkendt. En mulig forklaring på denne frugtløse aktivitet er, at både IEEE 802 og 3GPP ikke ønsker at ændre deres egne teknologier for at tilpasse dem til hinanden. Derfor er det i øjeblikket ikke klart, om diskussionerne i Coex SC vil påvirke Wi-Fi 7-standarden.

Udviklingsprocessen

Selvom udviklingen af Wi-Fi 7 befindes sig i sin indledende fase, er der indtil nu blevet fremsat omkring 500 forslag til nye funktioner for det kommende Wi-Fi 7, også kendt som IEEE 802.11be. De fleste idéer diskuteres stadig i undergruppen be, og der er endnu ikke truffet beslutning om dem. Andre idéer er for nylig blevet godkendt. Nedenfor vil det blive tydeligt angivet, hvilke forslag der er godkendt, og hvilke der kun er til diskussion.

Det var oprindeligt planlagt, at udviklingen af de grundlæggende nye mekanismer skulle være afsluttet i marts 2021. Den endelige version af standarden forventes i begyndelsen af 2024. I januar 2020 blev der i undergruppen 11be udtrykt bekymring for, om udviklingen vil følge tidsplanen i det nuværende arbejdstempo. For at fremskynde udviklingsprocessen af standarden blev det besluttet af undergruppen at vælge et lille sæt højprioriterede funktioner, der kan udgives i 2021 (Release 1), mens de øvrige bliver holdt til Release 2. Højprioriterede funktioner skal give en grundlæggende præstationsforøgelse og inkluderer støtte til 320 MHz, 4K-QAM, åbenlyse forbedringer af OFDMA fra Wi-Fi 6, MU-MIMO med 16 strømme.

På grund af coronavirus samles gruppen i øjeblikket ikke fysisk, men afholder regelmæssigt telekonferencer. Udviklingen er dermed blevet en smule forsinket, men er ikke stoppet.

Detaljer om teknologien

Lad os se på de vigtigste nyheder om Wi-Fi 7.

Den nye fysiske protokol er en videreførelse af Wi-Fi 6-protokollen med en dobbelt stigning i båndbredden til 320 MHz, en dobbelt stigning i antallet af rumlige strømme MU-MIMO, hvilket øger den nominelle båndbredde med 2×2 = 4 gange. Wi-Fi 7 begynder også at anvende moduleringen 4K-QAM, hvilket tilføjer yderligere 20% til den nominelle båndbredde. Dermed vil Wi-Fi 7 give en nominelt dataoverførselshastighed på 2x2x1,2 = 4,8 gange højere sammenlignet med Wi-Fi 6: den maksimale nominelle båndbredde for Wi-Fi 7 er 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Derudover vil der blive foretaget en revolutionerende ændring i den fysiske protokol relateret til at sikre kompatibilitet med fremtidige versioner af Wi-Fi, men det vil forblive usynligt for brugerne.
Ændringen af kanaltillahandlingsmetoden til støtte for realtidsapplikationer vil blive gennemført med henblik på erfaringerne fra IEEE 802 TSN for kablede netværk. De igangværende drøftelser i standardiseringskomiteen omhandler proceduren for tilfældig udsættelse ved adgang til kanalen, trafikprioriteringskategorier og dermed separate køer for realtids trafik samt politikker for pakkehåndtering.
Introduceret i Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – en metode til adgang til kanalen baseret på tids- og frekvensdeling (svarende til den der bruges i 4G og 5G netværk) – giver nye muligheder for optimal ressourcefordeling. Men i 11ax er OFDMA ikke tilstrækkeligt fleksibel. For det første tillader det adgangspunktet kun at tildele et stort ressourseblok af en forudbestemt størrelse til en klientenhed. For det andet understøtter det ikke direkte transmission mellem klientstationer. Begge ulemper reducerer den spektrale effektivitet. Desuden forværrer manglen på fleksibilitet i det arvede Wi-Fi 6 OFDMA præstationen i tætte netværk og øger forsinkelsen, hvilket er kritisk for realtidsapplikationer. 11be vil løse disse OFDMA-problemer.
En af de godkendte revolutionerende ændringer i Wi-Fi 7 er den indbyggede støtte til samtidig brug af flere parallelle forbindelser på forskellige frekvenser, hvilket er meget nyttigt både for enorme dataoverførselshastigheder og for ekstremt lav forsinkelse. Selvom nutidens chipsett allerede kan anvende flere forbindelser samtidig, f.eks. i 2,4 og 5 GHz båndet, er disse forbindelser uafhængige, hvilket begrænser effektiviteten af en sådan operation. I 11be vil der blive fundet et niveau af synkronisering mellem kanalerne, som effektivt udnytter kanalressourcerne og vil føre til betydelige ændringer i protokolreglerne for kanaladgang.
Brugen af meget brede kanaler og et stort antal rumlige strømme medfører problemet med høje omkostninger forbundet med proceduren til vurdering af kanaltilstanden, som er nødvendig for MIMO og OFDMA. Disse omkostninger annullerer hele gevinsten fra de øgede nominelle dataoverførselshastigheder. Det forventes, at proceduren til vurdering af kanaltilstanden vil blive revideret.
I konteksten af Wi-Fi 7 er der i standardiseringsudvalget diskussioner om brugen af nogle "avancerede" metoder til dataoverførsel. Teoretisk set øger disse metoder spektral effektivitet i tilfælde af genforsøg samt ved samtidige overførsler i samme eller modsat retning. Dette omfatter hybrid automatisk repeat-anmodning (HARQ), som i øjeblikket anvendes i mobilnetværk, full-duplex tilstand og ikke-ortogonalt multia adgang (NOMA). Disse metoder er godt undersøgt i litteraturen teoretisk set, men det er stadig uvist, om det præstationspotentiale, de tilbyder, vil kompensere for de indsatser, der kræves for deres implementering.
- Brugen af HARQ kompliceres af følgende problem. I Wi-Fi bliver pakker sammensat for at reducere overhead. I de nuværende versioner af Wi-Fi får hver pakke indeni det sammenføjede bekræftet, og hvis bekræftelsen ikke modtages, gentages overførslen af pakken ved hjælp af metoder fra adgangsprotokollen. HARQ flytter genforsøg fra kanelniveauet til det fysiske niveau, hvor der ikke længere er pakker, men kodeord, og grænserne for kodeordene svarer ikke til grænserne for pakkerne. Denne afsynkronisering gør implementeringen af HARQ i Wi-Fi mere kompleks.
- Hvad angår Full-Duplex, er det i øjeblikket hverken muligt i mobilnetværk eller i Wi-Fi-netværk at overføre data til og fra en adgangspunkt (basestation) samtidigt på samme frekvenskanal. Teknisk set skyldes dette den store forskel i styrken mellem det sendte og modtagne signal. Selvom der findes prototyper, der kombinerer digital og analog subtraktion af det sendte signal fra det modtagne, som kan modtage Wi-Fi-signalet under transmissionen, kan gevinsten, de giver i praksis, være ubetydelig, da den nedadgående strøm ikke i gennemsnit er lig med den opadgående (gennemsnitligt set er den nedadgående betydeligt større). Denne tovejs transmission vil desuden komplicere protokollen betydeligt.
- Hvis man ønsker at transmittere flere strømme med MIMO, skal man have flere antenner til både sender og modtager. Ved ikke-orthogonal adgang kan adgangspunkter samtidig transmittere data til to modtagere med en enkelt antenne. Forskellige varianter af ikke-orthogonal adgang er inkluderet i de seneste specifikationer for 5G. Prototype NOMA Wi-Fi blev først skabt i 2018 ved IPC RAN (ikke tag det som reklame). Det viste en ydelsesforøgelse på 30-40%. Fordelene ved den udviklede teknologi er dens bagudkompatibilitet: en af de to modtagere kan være en forældet enhed, der ikke understøtter Wi-Fi 7. Generelt er problemet med bagudkompatibilitet meget vigtigt, da en række enheder fra forskellige generationer kan fungere samtidig på Wi-Fi-netværket. I øjeblikket analyserer flere hold i verden effektiviteten ved brug af NOMA og MU-MIMO, hvis resultater vil fastlægge fremtiden for denne tilgang. Vi fortsætter også arbejdet med prototypen: en ny version vil blive præsenteret på IEEE INFOCOM-konferencen i juli 2020.
Endelig er endnu en vigtig innovation, men med en usikker skæbne, koordineret arbejde mellem adgangspunkterne. Selvom mange udbydere har deres egne centraliserede kontrollere til virksomheders Wi-Fi-netværk, har sådanne kontrollere som regel haft begrænsede muligheder til at indstille langsigtede parametre og vælge kanaler. Standardiseringskomiteen diskuterer et tættere samarbejde mellem nærliggende adgangspunkter, der inkluderer koordineret transmissionsplanlægning, beamforming (rettet signaloverførsel) og endda fordelt MIMO-systemer. Nogle af de overvejede tilgange anvender sekventiel interferensundertrykkelse (næsten det samme som NOMA). Selvom tilgange til koordinering af 11be endnu ikke er klarlagt, er der ingen tvivl om, at standarden vil tillade adgangspunkter fra forskellige producenter at koordinere transmissionsplanlægning for at reducere gensidig interferens. Med hensyn til andre, mere komplekse tilgange (f.eks. fordelt MU-MIMO), vil det være sværere at implementere dem i standarden, selvom enkelte medlemmer af gruppen er besluttet på at gøre det i forbindelse med Release 2. Uanset udfaldet er skæbnen for metoder til koordinering af adgangspunkter uklar. Selvom de bliver inkluderet i standarden, kan de måske ikke nå markedet. Lignende situationer har tidligere været set i forsøget på at skabe orden i Wi-Fi-overførsler med hjælp fra løsninger som HCCA (11e) og HCCA TXOP Negotiation (11be).

Sammenfattende ser det ud til, at de fleste forslag relateret til de første fem grupper vil blive en del af Wi-Fi 7, mens forslagene til de to sidste grupper kræver betydelige yderligere undersøgelser for at bevise deres effektivitet.