Huawei satser på Wi-Fi 6 i deres udviklinger. Spørgsmål fra kolleger og kunder om den nye generation af standarden har fået os til at skrive et indlæg om de teoretiske grundlag og fysiske principper, der ligger bag. Vi går fra historien til fysikken og dykker ned i, hvorfor teknologierne OFDMA og MU-MIMO er nødvendige. Vi vil også tale om, hvordan den principielt ombyggede fysiske dataoverførselsmiljø har gjort det muligt at opnå en garanteret båndbredde og en så stor reduktion i den samlede forsinkelse, at den er sammenlignelig med 'operatør'-niveau. Dette er i betragtning af, at moderne netværk baseret på 5G er dyrere (i gennemsnit 20-30 gange) end tilsvarende indoor-netværk med Wi-Fi 6.
For Huawei er emnet bestemt ikke en bagatel: løsninger, der understøtter Wi-Fi 6, er blandt vores mest banebrydende produkter i 2020, som vi har investeret enorme ressourcer i. Her er et enkelt eksempel: forskning inden for materialeteknologi har gjort det muligt for os at vælge en legering, hvis anvendelse i radioelementer til adgangspunktet har øget forholdet mellem 'signal - støj' med 2-3 dB: vi hæver hatten i respekt for Doron Ezri for denne bedrift.
Lidt historie
Historien om Wi-Fi bør begynde i 1971, da professor Norman Abramson ved Universitetet i Hawaii sammen med en gruppe kolleger udviklede, byggede og lancerede det trådløse netværk af pakkeoverførsel ALOHAnet.
I 1980 blev en gruppe standarder og protokoller i IEEE 802 godkendt, der beskriver organisationen af de to nederste lag i den syv-lags netværksmodel OSI. Det var 17 lange år at vente på frigivelsen af den første version 802.11.
Med vedtagelsen af standarden 802.11 i 1997, to år før Wi-Fi Alliance blev dannet, trådte den første generation af den i dag mest populære teknologi til trådløs dataoverførsel ind i den store verden.
Standarden IEEE 802. Wi-Fi-generationer
Den første standard, der virkelig blev bredt understøttet af udstyrsproducenter, var 802.11b. Som du kan se, har frekvensen af innovationer siden slutningen af det 20. århundrede været relativt stabil: væsentlige forbedringer kræver tid. I de seneste år har hovedarbejdet været rettet mod at forbedre den fysiske dataoverførselsmiljø. For bedre at forstå de moderne udfordringer ved Wi-Fi, vil vi tage fat på de fysiske grundlag.
Lad os genkalde os grundlaget!
Radiobølger er en underkategori af elektromagnetiske bølger, der udbredes fra kilder til forstyrrelser i det elektriske og magnetiske felt. De karakteriseres ved tre hovedparametre: bølgevektoren samt vektorerne for intensiteten af de elektriske og magnetiske felter. Alle tre er indbyrdes vinkelret på hinanden. Bølgehastigheden refererer til antallet af gentagne svingninger, der forekommer i en given tidsenhed.
Dette er velkendte fakta. Men for at nå til slutningen må vi starte fra begyndelsen.
På en hypotetisk skala for frekvensområder af elektromagnetisk stråling indtager radiobåndet den laveste (lavfrekvente) del. Det omfatter elektromagnetiske bølger med frekvenser fra 3 Hz til 3000 GHz. Alle andre områder, inklusive det synlige lys, har langt højere frekvenser.
Jo højere frekvensen er, desto mere energi kan overføres til radiobølgen, men samtidig har den sværere ved at bøje omkring hindringer og aftager hurtigere. Omvendt er også korrekt. I betragtning af disse egenskaber er der valgt to hovedfrekvensområder til Wi-Fi: 2,4 GHz (frekvensbånd fra 2,4000 til 2,4835 GHz) og 5 GHz (frekvensbånd 5,170–5,330, 5,490–5,730 og 5,735–5,835 GHz).
Radiobølger udbredes i alle retninger, og for at meldinger ikke skal påvirke hinanden på grund af interferenseffekten, er det almindeligt at opdele frekvensbåndet i separate smalle segmenter — kanaler med forskellige . På diagrammet ovenfor kan man se, at nabokanalerne 1 og 2 med en overførselseffekt på 20 MHz vil forstyrre hinanden, mens 1 og 6 ikke vil.
Signalet inde i kanalen overføres ved hjælp af en radiobølge på en bestemt bærefrekuens. Til overførsel af information kan bølgens parametre i frekvens, amplitudemæssigt eller i fase.
Opdeling af kanaler i Wi-Fi frekvensområder
Frekvensområdet 2,4 GHz er opdelt i 14 delvist overlappende kanaler med en optimal bredde på 20 MHz. Det blev engang anset for tilstrækkeligt til at organisere et komplekst trådløst netværk. Det blev hurtigt klart, at kapaciteten i området blev hastigt udtømt, så der blev tilføjet området 5 GHz, hvis spektrale kapacitet er meget højere. I dette område, ud over 20 MHz kanaler, er det også muligt at tildele kanaler på 40 og 80 MHz.
For additional improvement in the efficiency of using the radio frequency spectrum, the technology of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is currently widely applied.).
It involves using several sub-carrier frequencies in addition to the carrier frequency in the same channel, allowing for the parallel transmission of data. OFDM enables traffic distribution in a sufficiently convenient 'granular' manner, but due to its age, it retains a number of significant drawbacks. Among them are the principles of operation based on the CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) network protocol, according to which only one user can operate on a specific carrier and sub-carrier at certain moments in time.
Spatial streams
An important way to increase the capacity of a wireless network is by using spatial streams.
The access point carries several radio modules (one, two, or more) connected to a certain number of antennas. These antennas transmit according to a specific scheme and modulation, and we receive information transmitted through the wireless medium. A spatial stream can be formed between a specific physical antenna (radio module) of the access point and the user device. This increases the total amount of information transmitted from the access point by a factor equal to the number of streams (antennas).
According to current standards, up to four spatial streams can be implemented in the 2.4 GHz range and up to eight in the 5 GHz range.
Tidligere, når vi arbejdede i 2,4 og 5 GHz-områderne, fokuserede vi kun på antallet af radiomoduler. Tilstedeværelsen af et sekundært radiomodul gav ekstra fleksibilitet, da det gjorde det muligt for ældre abonnentudstyr at fungere på 2,4 GHz, mens det nye kunne operere på 5 GHz. Med indførelsen af tredje og efterfølgende radiomoduler opstod der nogle problemer. Afsenderne har en tendens til at interferere med hinanden, hvilket øger enhedens omkostninger på grund af behovet for bedre design og udstyre adgangspunktet med kompensationsfiltre. Så det er først for nylig blevet muligt at understøtte 16 rumlige strømme på ét adgangspunkt samtidigt.
Praktisk og teoretisk hastighed
På grund af OFDM-teknologiers funktioner kunne vi ikke opnå maksimal netværkskapacitet. Teoretiske beregninger for praktisk implementering af OFDM blev udført for længe siden og kun i forhold til ideelle miljøer, hvor der blev forventet et tilstrækkeligt højt forhold mellem 'signal og støj' (SNR) og bitfejlrate (BER). Under moderne forhold med høj interferens i alle relevante radiobånd er kapacitetsindikatorerne for netværk baseret på OFDM foruroligende lave. Og indtil for nylig bar protokollen stadig disse mangler, indtil OFDMA-teknologien (orthogonal frequency-division multiple access) kom til undsætning. Læs mere om det senere.
Lad os tale om antenner
Som du ved, har hver antenne en forstærkningsfaktor, som bestemmer det rumlige mønster for signaludsendelse (beamforming) med et bestemt dækningsområde (vi ser bort fra reflekteret signaler osv.). Det er netop dette, der altid har været grundlaget for designeres overvejelser om, hvor adgangspunkterne skal placeres. Længe forblev formen på mønsteret uændret og kunne kun ændres i størrelsen i forhold til antennens egenskaber.
Moderne antennelementer bliver stadig mere styrede og gør det muligt at ændre det rumlige mønster for signaludsendelse dynamisk i realtid.
Til venstre øverst i billedet vises princippet for radiobølgernes udbredelse ved brug af en standard omnidirektionel antenne. Ved at øge signalstyrken kunne vi kun ændre dækningsradius uden mulighed for at påvirke kanalens kvalitet væsentligt - KQI (Key Quality Indicators). Denne måling er yderst vigtig ved etablering af kommunikation i situationer, hvor brugeren ofte bevæger sig i et trådløst miljø.
Løsningen på problemet blev brugen af mange små antenner, hvis belastning kan reguleres i realtid, hvilket giver mulighed for at danne udbredelsesmønstre afhængigt af brugerens position.
Dermed blev vi tættere på at anvende MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) teknologi. Med denne teknologi kan adgangspunktet til enhver tid danne stråler, der er rettet specifikt mod brugerens enheder.
Fra fysik til standarder 802.11
Efterhånden som Wi-Fi standarderne udviklede sig, ændrede principperne for arbejdet med det fysiske lag sig. Brug af andre modulationsmekanismer gav mulighed for - fra versioner 802.11g/n - at rumme meget mere information i en tidslomme og dermed arbejde med et større antal brugere. Dette blev også opnået ved hjælp af rumlige strømme. Den nyvundne fleksibilitet angående båndbredde gjorde det muligt at danne flere ressourcer til MIMO.
Næste år er det planlagt at godkende standarden Wi-Fi 7. Hvad vil ændre sig med dens ankomst? Udover den sædvanlige hastighedsforøgelse og tilføjelsen af 6 GHz-båndet, vil der blive mulighed for at arbejde med brede aggregerede kanaler, såsom 320 MHz. Dette er især interessant i forhold til industriel anvendelse.
Den teoretiske båndbredde for Wi-Fi 6
Den teoretiske formel for beregning af den nominelle hastighed for Wi-Fi 6 er tilstrækkelig kompleks og afhænger af mange parametre, fra antallet af rumlige strømme til den information, vi kan indlejre i bærer (eller bæregivere, hvis der er flere) pr. tidsenhed.
Som du kan se, afhænger meget af de rumlige strømme. Tidligere forværrede en stigning i deres antal i kombination med brugen af STC (Space-Time Coding) og MRC (Maximum Ratio Combining) funktionaliteten af den trådløse løsning generelt.
Nye nøgleteknologier på det fysiske niveau
Lad os gå videre til de nøgleteknologier, der findes på det fysiske niveau, og starte med det første lag i OSI-netværksmodellen.
Vi minder om, at der i OFDM bruges et bestemt antal underbånd, som kan transmittere et visst informationsvolumen uden at påvirke hinanden.
I eksemplet bruger vi frekvensområdet 5,220 GHz, som indeholder 48 underkanaler. Ved at aggregere denne kanal får vi et større antal underbånd, hvorpå der anvendes hver sin modulationsordning.
Wi-Fi 5 bruger 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), en kvadraturmodulation, der tillader dannelse af et felt på 16 x 16 punkter inden for bærerfrekvensen i én tidsslots, som adskiller sig i amplitude og fase. Ulempen er, at kun én station kan transmittere på bærerfrekvensen på et givet tidspunkt.
Multiplexing med ortogonal frekvensdivision (OFDMA) kom fra mobiloperatørernes verden, fik samtidig udbredelse med LTE og bruges til at organisere downlink (kommunikationskanalen til abonnenten). Det gør det muligt at arbejde med kanalen på niveauet af de såkaldte ressourceenheder. Disse enheder hjælper med at opdele blokken i et bestemt antal komponenter. Inden for en blok kan vi på ethvert tidspunkt ikke nødvendigvis arbejde strengt med en enkelt strålende enhed (bruger eller adgangspunkt), men kombinere dusinvis af enheder. Dette muliggør bemærkelsesværdige resultater.
Simpel kanalsammenkobling i Wi-Fi 6
Kanalsammenkobling (Channel Bonding) i Wi-Fi 6 muliggør opnåelse af sammenkoblede kanaler med en bredde fra 20 til 160 MHz. Og der er ikke nødvendigt at koble dem i nærliggende frekvensområder. For eksempel kan én blok tages fra frekvensområdet 5,17 GHz, mens den anden kommer fra frekvensområdet 5,135 GHz. Dette muliggør en fleksibel opbygning af radiomediet, selv i nærvær af stærke interferensfaktorer eller naboer med andre konstant udsendende stationer.
Fra SIMO til MIMO
MIMO-metoden har ikke altid været med os. Engang var mobilkommunikation begrænset til SIMO-tilstand, som indebar, at abonnentstationen havde flere antenner, der samtidig arbejdede på at modtage information.
MU-MIMO er designet til at overføre information til brugere ved at bruge den nuværende antennekapacitet fuldt ud. Dette fjerner de tidligere begrænsninger indført af CSMA/CA-protokollen, som var forbundet med at sende tokens til abonnentenhederne for transmission. Nu dannes grupper af brugere, og hver deltager i gruppen får sin del af antennekapacitet fra adgangspunktet, i stedet for at vente på sin tur.
Dannelsen af radiobølger
En vigtig regel for MU-MIMO er at opretholde en driftstilstand for antennekapaciteten, som ikke fører til overlapning af radiobølger og tab af information på grund af faseoverlap.
Dette kræver komplekse matematiske beregninger på adgangspunktets side. Hvis terminalen understøtter denne funktion, gør MU-MIMO det muligt for den at informere adgangspunktet om, hvor lang tid det tager at modtage signalet på hver enkelt antenne. Adgangspunktet justerer derefter sine antenner for at danne en optimalt rettet stråle.
Hvad giver dette os samlet set?
De hvide cirkler med tal i tabellen markerer de nuværende anvendelsesscenarier for Wi-Fi i tidligere generationer. De blå cirkler (se illustrationen ovenfor) beskriver mulighederne for Wi-Fi 6, mens de grå repræsenterer den nærtstående fremtid.
De primære fordele, som de nye løsninger med understøttelse af OFDMA medfører, er forbundet med ressourceenheder, der er implementeret på et niveau svarende til TDM (Time Division Multiplexing). Dette har tidligere ikke været muligt i Wi-Fi. Det gør det muligt at kontrollere tildelt båndbredde klart, hvilket sikrer minimal signaloverførselstid gennem mediet og det nødvendige niveau af pålidelighed. Der hersker ikke tvivl om, at pålidelighedsniveauerne for Wi-Fi skal forbedres.
Historien udvikler sig i spiraler, og den nuværende situation ligner meget den, der en gang opstod omkring Ethernet. Dengang var det blevet fastslået, at transmissionsmediet CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ikke sikrede nogen garanteret båndbredde. Og det varede ved indtil overgangen til IEEE 802.3z.
Når det kommer til de generelle anvendelsesmodeller, kan man se, at med hver generation af Wi-Fi vokser anvendelsesscenarierne, som bliver mere og mere følsomme over for latency, jitter, Og endnu engang om det fysiske miljø
Nu om, hvad der danner det nye fysiske miljø. Når man anvender CSMA/CA og OFDM, førte stigningen i antallet af aktive punkter (Active STA) til, at båndbredden på en 20 MHz kanal faldt markant. Dette var relateret til den teknologi, der blev nævnt tidligere: de ikke så nye teknologier STC (Space-Time Coding) og MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kan effektivt interagere med fjerntliggende og lav-effekt stationer ved at bruge ressourceenheder. Vi får mulighed for at arbejde på det samme bånd med brugere, der forbruger forskellige mængder ressourcer. En bruger kan optage en enhed, mens en anden kan optage resten.
Hvorfor var der ikke OFDMA før?
Og endelig det vigtigste spørgsmål: hvorfor var der ikke OFDMA før? Underligt nok handlede det hele om penge.
I lang tid blev det anset for, at prisen på en Wi-Fi-modul skulle være minimal. Da protokollen blev lanceret kommercielt i 1997, blev det besluttet, at produktionsomkostningerne for en sådan modul ikke måtte overstige $1. Som følge heraf fulgte teknologiens udvikling en suboptimal sti. Her tager vi ikke hensyn til operatørens LTE, hvor OFDMA allerede har været i brug i lang tid.
Til sidst besluttede arbejdsgruppen for Wi-Fi at tage disse erfaringer fra telekommunikationsverdenen og overføre dem til verden af virksomhedsnetsværk. Hovedopgaven blev at skifte til at bruge bedre komponenter som filtre og oscillatorer.
Hvorfor havde vi så svært ved at arbejde med de gamle MRC-kodninger med eller uden interferens? Fordi mekanismen til dannelse af stråler MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) dramatisk øgede antallet af fejl, så snart vi forsøgte at kombinere et stort antal senderpunkter. OFDMA har bevist, at problemet kan løses.
Hvorfor var det så svært for os at arbejde med de gamle MRC-kodninger, med eller uden interferens? Fordi mekanismen bag dannelsen af strålen MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) pludselig forhøjede antallet af fejl, så snart vi forsøgte at kombinere et stort antal transmissionspunkter. OFDMA har bevist, at problemet kan løses.
Bekæmpelse af interferens er nu baseret på matematik. Hvis informationsoversigtvinduet er tilstrækkeligt langt, kan den dynamiske interferens føre til problemer. Nye arbejdsalgoritmer gør det muligt at undgå disse ved at udelukke indflydelsen fra ikke kun Wi-Fi-relateret interferens, men også enhver anden, der opstår i dette område.
Takket være adaptiv interferensbekæmpelse kan vi opnå en gevinst på op til 11 dB, selv i komplekse heterogene miljøer. Brug af Huaweis egne algoritmiske løsninger har givet betydelig optimering, især hvor det er nødvendigt – i indoor-løsninger. Hvad der er godt i 5G, er ikke nødvendigvis godt i et Wi-Fi 6-miljø. Massive MIMO- og MU-MIMO-tilgange adskiller sig i forhold til indoor- og outdoor-løsninger. Hvor det er nødvendigt, er det hensigtsmæssigt at anvende dyre løsninger som i 5G. Men der er også behov for andre muligheder, såsom Wi-Fi 6, der kan levere forsinkelser og andre målinger, som vi er vant til at forvente fra telekommunikationsoperatører.
Vi låner de værktøjer, der vil være nyttige for os som virksomhedskunder, alt for at sikre et fysisk miljø, som man kan stole på.
***
For resten, glem ikke vores mange webinarer om nyhederne fra Huawei i 2020, som afholdes ikke kun i den russisktalende sektor, men også på globalt plan. Listen over webinarer for de kommende uger er tilgængelig på .
Kilde: habr.com
