I sin udvikling er Huawei afhængig af Wi-Fi 6. Og spørgsmål fra kolleger og kunder om den nye generation af standarden fik os til at skrive et indlæg om det teoretiske grundlag og fysiske principper, der er indlejret i den. Lad os gå videre fra historie til fysik og se nærmere på, hvorfor OFDMA- og MU-MIMO-teknologier er nødvendige. Lad os også tale om, hvordan et fundamentalt redesignet fysisk datatransmissionsmedium gjorde det muligt at opnå garanteret kanalkapacitet og en sådan reduktion i det samlede niveau af forsinkelser, at de blev sammenlignelige med en operatørs. Og dette på trods af, at moderne 5G-baserede netværk er dyrere (i gennemsnit 20-30 gange) end indendørs Wi-Fi 6-netværk med lignende muligheder.
For Huawei er emnet på ingen måde et tomt emne: løsninger, der understøtter Wi-Fi 6, er blandt vores mest banebrydende produkter i 2020, hvor der er investeret enorme ressourcer. Her er blot et eksempel: forskning inden for materialevidenskab gjorde det muligt for os at vælge en legering, hvis brug i radioelementer i et adgangspunkt øgede signal-til-støj-forholdet med 2-3 dB: hatten af for Doron Ezri for denne præstation.
Lidt historie
Det giver mening at tælle historien om Wi-Fi tilbage til 1971, hvor professor Norman Abramson og en gruppe kolleger på University of Hawaii udviklede, byggede og lancerede det trådløse pakkedatanetværk ALOHAnet.
I 1980 blev en gruppe af standarder og protokoller IEEE 802 godkendt, der beskriver organisationen af de to nederste lag af syv-lags OSI-netværksmodellen. Vi måtte vente 802.11 lange år før udgivelsen af den første version af 17.
Med vedtagelsen af 1997-standarden i 802.11, to år før fødslen af Wi-Fi Alliance, kom den første generation af nutidens mest populære trådløse datateknologi ind i den bredere verden.
IEEE 802 standard. Wi-Fi generationer
Den første standard, der virkelig blev bredt understøttet af udstyrsproducenter, var 802.11b. Som du kan se, har hyppigheden af innovationer været ret stabil siden slutningen af det XNUMX. århundrede: Kvalitative ændringer tager tid. I de senere år er der blevet arbejdet meget på at forbedre det fysiske signaltransmissionsmedium. For bedre at forstå de moderne problemer med Wi-Fi, lad os vende os til dets fysiske grundlag.
Lad os huske det grundlæggende!
Radiobølger er et særligt tilfælde af elektromagnetiske bølger - der udbreder sig fra en kilde til elektriske og magnetiske feltforstyrrelser. De er karakteriseret ved tre hovedparametre: bølgevektoren samt de elektriske og magnetiske feltstyrkevektorer. Alle tre er gensidigt vinkelrette på hinanden. I dette tilfælde kaldes frekvensen af en bølge normalt for antallet af gentagne svingninger, der passer ind i en tidsenhed.
Alt dette er velkendte fakta. Men for at nå slutningen er vi tvunget til at starte helt fra begyndelsen.
På den konventionelle skala af frekvensområder for elektromagnetisk stråling optager radioområdet den laveste (lavfrekvente) del. Det omfatter elektromagnetiske bølger med en oscillationsfrekvens fra 3 Hz til 3000 GHz. Alle andre bånd, inklusive synligt lys, har en meget højere frekvens.
Jo højere frekvens, jo mere energi kan radiobølgen tilføres, men samtidig bukker den mindre godt rundt om forhindringer og dæmpes hurtigere. Det modsatte er også sandt. Under hensyntagen til disse funktioner blev to hovedfrekvensområder valgt til Wi-Fi-drift - 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 breder sig i alle retninger, og for at forhindre, at beskeder påvirker hinanden på grund af interferenseffekten, er frekvensbåndet normalt opdelt i separate smalle sektioner - kanaler med en eller anden . Diagrammet ovenfor viser, at tilstødende kanaler 1 og 2 med en båndbredde på 20 MHz vil interferere med hinanden, men 1 og 6 vil ikke.
Signalet inde i kanalen transmitteres ved hjælp af en radiobølge ved en bestemt bærefrekvens. For at overføre information kan bølgeparametre være efter frekvens, amplitude eller fase.
Kanaladskillelse i Wi-Fi-frekvensområder
2,4 GHz-frekvensområdet er opdelt i 14 delvist overlappende kanaler med en optimal bredde på 20 MHz. Det blev engang troet, at dette var ganske nok til at organisere et komplekst trådløst netværk. Det blev hurtigt klart, at rækkens kapacitet hurtigt var ved at blive opbrugt, så 5 GHz-området blev tilføjet til det, hvis spektrale kapacitet er meget højere. I den er det, ud over 20 MHz-kanaler, muligt at tildele kanaler med en bredde på 40 og 80 MHz.
For yderligere at forbedre effektiviteten af brugen af radiofrekvensspektret anvendes ortogonal frekvensdelingsmultipleksteknologi nu i vid udstrækning ().
Det går ud på at bruge, sammen med bærefrekvensen, flere underbærefrekvenser i samme kanal, hvilket gør det muligt at udføre parallel datatransmission. OFDM giver dig mulighed for at distribuere trafik på en ret bekvem "granulær" måde, men på grund af sin ærværdige alder bevarer den en række væsentlige ulemper. Blandt dem er principperne for at arbejde ved hjælp af CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) netværksprotokollen, ifølge hvilken kun én bruger kan arbejde på én operatør og underoperatør på bestemte tidspunkter.
Rumlige strømme
En vigtig måde at øge den trådløse netværksgennemstrømning på er gennem brugen af rumlige strømme.
Adgangspunktet bærer flere radiomoduler (et, to eller flere), som er forbundet til et vist antal antenner. Disse antenner udstråler efter et bestemt mønster og modulation, og du og jeg modtager information transmitteret over et trådløst medie. Den rumlige strøm kan dannes mellem en specifik fysisk antenne (radiomodul) på adgangspunktet og brugerenheden. Takket være dette øges den samlede mængde information, der transmitteres fra adgangspunktet, med et multiplum af antallet af streams (antenner).
I henhold til nuværende standarder kan op til fire rumlige streams implementeres i 2,4 GHz-båndet og op til otte i 5 GHz-båndet.
Tidligere, når vi arbejdede i 2,4 og 5 GHz-båndene, fokuserede vi kun på antallet af radiomoduler. Tilstedeværelsen af et andet radiomodul gav yderligere fleksibilitet, da det gjorde det muligt for gamle abonnentenheder at fungere ved en frekvens på 2,4 GHz, og nye til at fungere ved en frekvens på 5 GHz. Med fremkomsten af det tredje og efterfølgende radiomoduler opstod der nogle problemer. Udstrålende elementer har en tendens til at forstyrre hinanden, hvilket øger omkostningerne ved enheden på grund af behovet for bedre design og udstyre adgangspunktet med kompensationsfiltre. Så det er først for nylig blevet muligt at understøtte 16 spatiale streams pr. adgangspunkt samtidigt.
Praktisk og teoretisk hastighed
På grund af OFDM-driftsmekanismer kunne vi ikke opnå maksimal netværksgennemstrømning. Teoretiske beregninger for den praktiske implementering af OFDM er udført for længe siden og kun i forhold til ideelle miljøer, hvor der forudsigeligt var forventet et ret højt signal-til-støj-forhold (SNR) og bitfejlrate (BER). Under moderne forhold med stærk støj i alle radiofrekvensspektre, der interesserer os, er gennemstrømningen af OFDM-baserede netværk deprimerende lav. Og protokollen fortsatte med at bære disse mangler indtil for nylig, indtil OFDMA (ortogonal frequency-division multiple access) teknologi kom til undsætning. Om hende - lidt længere.
Lad os tale om antenner
Som du ved, har hver antenne en forstærkning, afhængig af hvilken værdi et rumligt mønster af signaludbredelse (stråleformning) dannes med et bestemt dækningsområde (vi tager ikke højde for signalrefleksion osv.). Det er netop det, designere altid har baseret deres ræsonnement på, hvor præcist adgangspunkter skal placeres. I lang tid forblev mønsterets form uændret og steg eller faldt kun i forhold til antennens egenskaber.
Moderne antenneelementer bliver mere og mere kontrollerbare og tillader dynamiske ændringer i det rumlige mønster af signaludbredelse i realtid.
Den venstre figur ovenfor viser princippet om radiobølgeudbredelse ved hjælp af en standard omnidirektionel antenne. Ved at øge signaleffekten kunne vi kun ændre dækningsradius uden mulighed for væsentligt at påvirke kvaliteten af kanalbrug - KQI (Key Quality Indicators). Og denne indikator er ekstremt vigtig, når du organiserer kommunikation under forhold med hyppig bevægelse af abonnentenheden i et trådløst miljø.
Løsningen på problemet var brugen af et stort antal små antenner, hvor belastningen kan justeres i realtid, hvilket danner udbredelsesmønstre afhængigt af brugerens rumlige position.
Dermed var det muligt at komme tæt på brugen af MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) teknologi. Med sin hjælp genererer adgangspunktet til enhver tid strålingsstrømme rettet specifikt mod abonnentenheder.
Fra fysik til 802.11-standarder
Efterhånden som Wi-Fi-standarderne udviklede sig, ændrede principperne sig for at arbejde med det fysiske lag af netværket. Brugen af andre modulationsmekanismer har gjort det muligt - begyndende med versioner af 802.11g/n - at passe en meget større mængde information ind i et tidsvindue og følgelig arbejde med et større antal brugere. Dette er blandt andet opnået ved brug af rumlige flows. Og den nyfundne fleksibilitet i kanalbredde har gjort det muligt at generere flere ressourcer til MIMO.
Godkendelsen af Wi-Fi 7-standarden er planlagt til næste år. Hvad vil ændre sig med dens ankomst? Ud over den sædvanlige hastighedsforøgelse og tilføjelsen af 6 GHz-båndet, vil det være muligt at arbejde med brede aggregerede kanaler, såsom 320 MHz. Dette er især interessant i forbindelse med industrielle applikationer.
Teoretisk Wi-Fi 6-gennemstrømning
Den teoretiske formel til beregning af den nominelle hastighed for Wi-Fi 6 er ret kompleks og afhænger af mange parametre, startende med antallet af rumlige strømme og slutter med den information, vi kan indsætte i en underbærer (eller underbærere, hvis der er flere af dem) pr. tidsenhed.
Som du kan se, afhænger meget af rumlige strømninger. Men før forværrede en stigning i deres antal i kombination med brugen af STC (Space-Time Coding) og MRC (Maximum Ratio Combining) ydeevnen af den trådløse løsning som helhed.
Nye vigtige fysiske lagteknologier
Lad os gå videre til nøgleteknologierne i det fysiske lag – og starte med det første lag af OSI-netværksmodellen.
Lad os huske på, at OFDM bruger et vist antal underbærere, som uden at påvirke hinanden er i stand til at transmittere en vis mængde information.
I eksemplet bruger vi 5,220 GHz-båndet, som indeholder 48 underkanaler. Ved at aggregere denne kanal får vi et større antal underbærere, som hver bruger sit eget modulationsskema.
Wi-Fi 5 bruger kvadraturamplitudemodulation 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), som giver dig mulighed for at danne et felt på 16 x 16 punkter inden for bærefrekvensen i en tidsslot, der adskiller sig i amplitude og fase. Ulejligheden er, at kun én station på et givet tidspunkt kan sende på bærefrekvensen.
Ortogonal frequency division multiplexing (OFDMA) kom fra mobiloperatørernes verden, blev udbredt samtidig med LTE og bruges til at organisere en downlink (kommunikationskanal til abonnenten). Det giver dig mulighed for at arbejde med kanalen på niveau med såkaldte ressourceenheder. Disse enheder hjælper med at bryde en blok ned i et bestemt antal komponenter. Inden for en blok kan vi i hvert øjeblik ikke arbejde strengt med ét emitterende element (bruger eller adgangspunkt), men kombinere snesevis af elementer. Dette giver dig mulighed for at opnå bemærkelsesværdige resultater.
Nem tilslutning af kanaler i Wi-Fi 6
Channel Bonding i Wi-Fi 6 giver dig mulighed for at opnå kombinerede kanaler med en bredde på 20 til 160 MHz. Desuden behøver forbindelsen ikke at foretages i nærliggende områder. For eksempel kan en blok tages fra 5,17 GHz-båndet, og den anden fra 5,135 GHz-båndet. Dette giver dig mulighed for fleksibelt at bygge et radiomiljø, selv ved tilstedeværelse af stærke interferensfaktorer eller i nærheden af andre konstant udsendende stationer.
Fra SIMO til MIMO
MIMO-metoden har ikke altid været med os. Engang måtte mobilkommunikation begrænses til SIMO-tilstanden, hvilket indebar tilstedeværelsen af flere antenner ved abonnentstationen, der samtidig arbejdede med at modtage information.
MU-MIMO er designet til at transmittere information til brugere ved hjælp af hele den aktuelle antennebeholdning. Dette fjerner de begrænsninger, der tidligere var pålagt af CSMA/CA-protokollen, der er forbundet med at sende tokens til abonnentenheder til transmission. Nu er brugere forenet i en gruppe, og hvert gruppemedlem modtager deres del af adgangspunktets antenneressource i stedet for at vente på deres tur.
Radiostråledannelse
En vigtig regel for driften af MU-MIMO er at opretholde en funktionsmåde for antennearrayet, der ikke vil føre til gensidig overlapning af radiobølger og tab af information på grund af faseaddition.
Dette kræver komplekse matematiske beregninger på adgangspunktsiden. Hvis terminalen understøtter denne funktion, tillader MU-MIMO den at fortælle adgangspunktet, hvor lang tid det tager at modtage et signal ved hver specifik antenne. Og adgangspunktet justerer til gengæld sine antenner for at danne en optimalt rettet stråle.
Hvad giver det os generelt?
Hvide cirkler med tal i tabellen angiver aktuelle scenarier for brug af Wi-Fi fra tidligere generationer. De blå cirkler (se illustrationen ovenfor) beskriver Wi-Fi 6's muligheder, og de grå er et spørgsmål om den nærmeste fremtid.
De vigtigste fordele, som nye OFDMA-aktiverede løsninger bringer, er relateret til ressourceenheder implementeret på et niveau svarende til TDM (Time Division Multiplexing). Dette var aldrig tilfældet med Wi-Fi før. Dette giver dig mulighed for klart at kontrollere den tildelte båndbredde, hvilket sikrer minimal signaltransittid gennem mediet og det nødvendige niveau af pålidelighed. Heldigvis er ingen i tvivl om, at Wi-Fi-pålidelighedsindikatorer skal forbedres.
Historien bevæger sig i en spiral, og den nuværende situation ligner den, der udviklede sig omkring Ethernet på én gang. Allerede dengang blev det fastslået, at CSMA/CD-transmissionsmediet (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ikke giver nogen garanteret gennemstrømning. Og dette fortsatte indtil overgangen til IEEE 802.3z.
Med hensyn til de generelle applikationsmodeller, som du kan se, med hver generation af Wi-Fi, multipliceres brugsscenarionerne, mere og mere følsomme over for forsinkelser, generelt og pålidelighed.
Og igen om de fysiske rammer
Nå, lad os nu tale om, hvordan det nye fysiske miljø dannes. Ved brug af CSMA/CA og OFDM førte en stigning i antallet af aktive STA'er til et alvorligt fald i gennemstrømningen af 20 MHz-kanalen. Dette skyldtes, hvad der allerede er blevet nævnt: ikke de nyeste teknologier STC (Space-Time Coding) og MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kan gennem brug af ressourceenheder effektivt interagere med langdistance- og lavenergiværker. Vi får mulighed for at arbejde i samme transportørsortiment med brugere, der forbruger forskellige mængder ressourcer. En bruger kan besætte en enhed, og en anden - alle de andre.
Hvorfor var der ikke OFDMA før?
Og til sidst, hovedspørgsmålet: hvorfor var der ingen OFDMA før? Mærkeligt nok kom det hele til penge.
I lang tid troede man, at prisen på et Wi-Fi-modul skulle være minimal. Da protokollen blev lanceret i kommerciel drift i 1997, blev det besluttet, at produktionsomkostningerne for et sådant modul ikke kunne overstige $1. Som et resultat tog udviklingen af teknologi en suboptimal vej. Her tager vi ikke hensyn til operatør LTE, hvor OFDMA har været brugt ret længe.
I sidste ende besluttede Wi-Fi-arbejdsgruppen at tage disse udviklinger fra teleoperatørernes verden og bringe dem til en verden af virksomhedsnetværk. Hovedopgaven var overgangen til brug af elementer af højere kvalitet, såsom filtre og oscillatorer.
Hvorfor var det så svært for os at arbejde i de gamle MRC-kodninger med eller uden interferens? Fordi MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) stråleformende mekanisme øgede antallet af fejl dramatisk, så snart vi forsøgte at kombinere et stort antal sendepunkter. OFDMA har bevist, at problemet kan løses.
Kampen mod interferens er nu baseret på matematik. Hvis transmissionsvinduet er langt nok, forårsager den resulterende dynamiske interferens problemer. Nye driftsalgoritmer gør det muligt at undgå dem og eliminerer ikke kun indflydelsen af interferens forbundet med Wi-Fi-transmission, men også af enhver anden, der forekommer i dette område.
Takket være adaptiv anti-interferens kan vi opnå gevinster på op til 11 dB selv i komplekse heterogene miljøer. Brugen af Huaweis egne algoritmiske løsninger gjorde det muligt at opnå seriøs optimering præcis der, hvor det var nødvendigt – i indendørs 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 tilfælde af indendørs og udendørs løsninger. Hvor det er nødvendigt, er det hensigtsmæssigt at bruge dyre løsninger, som i 5G. Men der er brug for andre muligheder, såsom Wi-Fi 6, som kan levere den latenstid og andre målinger, vi er kommet til at forvente fra udbydere.
Vi låner af dem de værktøjer, der vil være nyttige for os som erhvervskunder, alt sammen i et forsøg på at skabe et fysisk miljø, som vi kan stole på.
***
Forresten, glem ikke vores talrige webinarer om nye Huawei-produkter i 2020, afholdt ikke kun i det russisksprogede segment, men også på globalt plan. En liste over webinarer for de kommende uger er tilgængelig på .
Kilde: www.habr.com