🥇Was erwartet uns bei Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Kürzlich wurden Geräte, die die Technologie Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) unterstützen, auf den Markt gebracht, über die viel gesprochen wird. Doch nur wenige wissen, dass bereits jetzt an der nächsten Generation der Wi-Fi-Technologie — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be) — gearbeitet wird. In diesem Artikel erfahren Sie, was Wi-Fi 7 beinhalten wird.

Hintergrund

Im September 2020 feiern wir das 30-jährige Bestehen des Projekts IEEE 802.11, das einen erheblichen Einfluss auf unser Leben hatte. Derzeit ist die Wi-Fi-Technologie, die durch die IEEE 802.11 Standardfamilie definiert wird, die beliebteste drahtlose Technologie für den Internetzugang: Wi-Fi überträgt mehr als die Hälfte des Benutzertraffics. Während Mobilfunktechnologien alle zehn Jahre ein Rebranding durchlaufen, beispielsweise durch die Umbenennung von 4G in 5G, geschieht die Erhöhung der Datenübertragungsraten und die Einführung neuer Dienste und Funktionen für Wi-Fi nahezu unbemerkt. Nur wenige Kunden kümmern sich um die Buchstaben „n“, „ac“ oder „ax“, die auf den Geräten unter „802.11“ stehen. Aber das bedeutet nicht, dass sich Wi-Fi nicht weiterentwickelt.

Ein Beweis für die Entwicklung von Wi-Fi ist der drastische Anstieg der nominalen Übertragungsgeschwindigkeiten: von 2 Mbit/s in der Version von 1997 bis fast 10 Gbit/s im neuesten Standard 802.11ax, auch bekannt als Wi-Fi 6. Modernes Wi-Fi erreicht diese Leistungssteigerung durch schnellere Signal-Codierungs-Techniken, breitere Kanäle und den Einsatz neuer Technologien. MIMO.

Neben dem Hauptfokus auf Hochgeschwindigkeits-WLAN umfasst die Evolution von Wi-Fi mehrere Nischenprojekte. Beispielsweise ist Wi-Fi HaLow (802.11ah) ein Versuch, Wi-Fi auf den Markt für das kabellose Internet der Dinge zu bringen. Wi-Fi im Millimeterbereich (802.11ad/ay) unterstützt nominale Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 275 Gbit/s, allerdings über sehr kurze Distanzen.

Neue Anwendungen und Dienstleistungen im Zusammenhang mit hochauflösenden Videostreams, virtueller und erweiterter Realität, Gaming, Remote-Arbeitsplätzen und Cloud-Computing sowie die Notwendigkeit, eine große Anzahl von Benutzern mit intensivem Traffic in Drahtlosnetzwerken zu unterstützen, erfordern hohe Leistung.

Ziele von Wi-Fi 7

Im Mai 2019 begann die Arbeitsgruppe 802.11 des Standardisierungsausschusses für lokale und städtische Netzwerke mit der Entwicklung einer neuen Erweiterung des Wi-Fi-Standards, die die nominelle Bandbreite auf über 40 Gbit/s erhöhen wird. in einem typischen Frequenzband für Wi-Fi bis 7 GHz. Während viele Dokumente von einer "maximalen Bandbreite von mindestens 30 Gbit/s" sprechen, wird das neue physikalische Protokoll eine nominelle Geschwindigkeit von über 40 Gbit/s gewährleisten.

Ein weiteres wichtiges Entwicklungsmotiv für Wi-Fi 7 ist die Unterstützung von Echtzeitanwendungen. (Spiele, virtuelle und erweiterte Realität, Robotiksteuerung). Auffällig ist, dass Wi-Fi speziell für Audio- und Videoübertragungen optimiert ist. Lange Zeit galt es als unmöglich, bei Wi-Fi-Netzwerken eine Garantie für niedrige Latenzen (im Bereich von Millisekunden) zu gewährleisten, ein Konzept, das als Time-Sensitive Networking bekannt ist. Im November 2017 haben unser Team vom IPPI RAN und der Nationalen Forschungsuniversität Higher School of Economics (bitte sehen Sie dies nicht als Werbung) ein entsprechendes Vorschlag in der IEEE 802.11 Gruppe präsentiert. Dieser Vorschlag stieß auf großes Interesse, und im Juli 2018 wurde eine spezielle Untergruppe zur weiteren Untersuchung dieser Frage ins Leben gerufen. Da sowohl hohe nominale Datenübertragungsraten als auch eine Erweiterung der Funktionalität der Datenverbindung benötigt werden, hat die Arbeitsgruppe 802.11 beschlossen, Methoden zur Unterstützung von Echtzeitanwendungen im Rahmen von Wi-Fi 7 zu entwickeln.

Eine zentrale Frage im Zusammenhang mit Wi-Fi 7 ist die Koexistenz mit Mobilfunktechnologien (4G/5G), die von der 3GPP entwickelt werden und im gleichen unlizenzierten Frequenzbereich arbeiten. Dabei geht es um LTE-LAA/NR-U. Um die Herausforderungen der Koexistenz von Wi-Fi und Mobilfunknetzen zu untersuchen, hat IEEE 802.11 das Coexisting Standing Committee (Coex SC) ins Leben gerufen. Trotz zahlreicher Treffen und sogar eines gemeinsamen Seminars der Teilnehmer von 3GPP und IEEE 802.11 im Juli 2019 in Wien sind technische Lösungen noch nicht genehmigt worden. Eine mögliche Erklärung für diese fruchtlosen Bemühungen könnte sein, dass sowohl IEEE 802 als auch 3GPP nicht bereit sind, ihre eigenen Technologien zu ändern, um sie an die jeweils andere anzupassen. Daher, ist derzeit unklar, ob die Diskussionen im Rahmen des Coex SC Einfluss auf den Standard Wi-Fi 7 haben werden..

Der Entwicklungsprozess

Obwohl der Entwicklungsprozess von Wi-Fi 7 noch in den Anfängen steckt, wurden bisher etwa 500 Vorschläge für neue Funktionen für das zukünftige Wi-Fi 7, auch bekannt als IEEE 802.11be, eingebracht. Die meisten Ideen werden derzeit in der Untergruppe be diskutiert, und es wurde noch keine Entscheidung getroffen. Andere Ideen wurden kürzlich genehmigt. Nachfolgend wird deutlich angegeben, welche Vorschläge genehmigt sind und welche sich nur in der Diskussion befinden.

Ursprünglich war geplant, die Entwicklung der grundlegenden neuen Mechanismen bis März 2021 abzuschließen. Die endgültige Version des Standards wird Anfang 2024 erwartet. Im Januar 2020 äußerte die Untergruppe 11be Bedenken, ob die Entwicklung im Zeitplan bleiben würde, angesichts des derzeitigen Arbeitstempos. Um den Entwicklungsprozess des Standards zu beschleunigen, einigte sich die Untergruppe darauf, eine kleine Anzahl von hochpriorisierten Funktionen auszuwählen, die bis 2021 (Release 1) veröffentlicht werden können, während die anderen für Release 2 reserviert bleiben. Die hochpriorisierten Funktionen sollen einen grundlegenden Leistungszuwachs bieten und umfassen Unterstützung für 320 MHz, 4K-QAM, offensichtliche Verbesserungen von OFDMA aus Wi-Fi 6 und MU-MIMO mit 16 Streams.

Wegen des Coronavirus trifft sich die Gruppe derzeit nicht persönlich, führt jedoch regelmäßig Telefonkonferenzen durch. Dadurch hat sich die Entwicklung zwar etwas verlangsamt, aber sie wurde nicht gestoppt.

Technologiedetails

Lassen Sie uns die wichtigsten Neuerungen von Wi-Fi 7 betrachten.

Das neue physische Schichtprotokoll ist eine Weiterentwicklung des Wi-Fi 6-Protokolls mit einer Verdopplung der Bandbreite auf 320 MHz und einer Verdopplung der Anzahl der räumlichen MU-MIMO-Streams, was die nominelle Bandbreite um 2×2 = 4-fach erhöht. Wi-Fi 7 beginnt außerdem mit der Verwendung der Modulation4K-QAM, was zusätzliche 20 % zur nominellen Bandbreite beiträgt. Somit wird Wi-Fi 7 eine nominelle Datenübertragungsrate von 2x2x1,2 = 4,8-fach höher im Vergleich zu Wi-Fi 6 bieten: Die maximale nominelle Bandbreite von Wi-Fi 7 beträgt 9,6 Gbit/s × 4,8 = 46 Gbit/s. Außerdem wird es eine revolutionäre Änderung im physikalischen Schichtprotokoll geben, die die Kompatibilität mit zukünftigen Versionen von Wi-Fi gewährleistet, aber für die Benutzer unbemerkt bleiben wird., was 20 % zur nominalen Bandbreite hinzufügt. Somit bietet Wi-Fi 7 eine nominale Datenrate von 2x2x1,2 = 4,8-mal höher im Vergleich zu Wi-Fi 6: die maximale nominale Bandbreite von Wi-Fi 7 beträgt 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Zudem wird es eine revolutionäre Änderung im physikalischen Protokoll geben, die die Kompatibilität mit zukünftigen Versionen von Wi-Fi sicherstellt, jedoch für die Benutzer unauffällig bleibt.
Änderung der Zugangsart zum Kanal zur Unterstützung von Echtzeitanwendungen wird unter Berücksichtigung der Erfahrungen von IEEE 802 TSN für drahtgebundene Netzwerke durchgeführt. Fortlaufende Diskussionen im Standardisierungsausschuss betreffen das Verfahren der zufälligen Verzögerung beim Zugriff auf den Kanal, die Servicekategorien für den Datenverkehr und entsprechend separate Warteschlangen für Echtzeitverkehr sowie die Paketdienstleistungsrichtlinien.
Einführung in Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – ein zeit- und frequenzgesteuertes Zugriffsverfahren auf den Kanal (ähnlich dem, was in 4G- und 5G-Netzen verwendet wird) – bietet neue Möglichkeiten für eine optimale Ressourcenzuteilung. Allerdings ist OFDMA in 11ax nicht ausreichend flexibel. Erstens ermöglicht es dem Zugangspunkt, einem Clientgerät nur einen Ressourcenblock von vordefinierter Größe zuzuweisen. Zweitens unterstützt es keine direkte Übertragung zwischen Clientstationen. Beide Nachteile verringern die spektrale Effizienz. Darüber hinaus verschlechtert die mangelnde Flexibilität des von Wi-Fi 6 geerbten OFDMA die Leistung in dichten Netzwerken und erhöht die Latenz, was für Echtzeitanwendungen kritisch ist. 11be wird diese Probleme des OFDMA lösen.
Eine der genehmigten revolutionären Änderungen bei Wi-Fi 7 ist die integrierte Unterstützung für die gleichzeitige Nutzung mehrerer paralleler Verbindungen auf unterschiedlichen Frequenzen, die sowohl für extrem hohe Datenübertragungsraten als auch für äußerst geringe Latenzzeiten von Vorteil ist. Während moderne Chipsätze bereits in der Lage sind, mehrere Verbindungen gleichzeitig zu nutzen, beispielsweise im 2,4- und 5-GHz-Bereich, sind diese Verbindungen unabhängig, was die Effizienz solcher Operationen einschränkt. Bei 11be wird ein Synchronisierungsniveau zwischen den Kanälen erreicht, das eine effektive Nutzung der Kanalressourcen ermöglicht und erhebliche Änderungen in den Protokollzugangsregeln nach sich ziehen wird.
Die Verwendung sehr breiter Kanäle und einer großen Anzahl räumlicher Ströme führt zu einer Herausforderung mit hohen Overheadkosten, die durch den Vorgang der Kanalsituationsermittlung entstehen, der für MIMO und OFDMA erforderlich ist. Diese Overheadkosten heben den gesamten Vorteil der erhöhten nominalen Datenübertragungsraten wieder auf. Es wird erwartet, dass der Prozess der Kanalsituationsermittlung überarbeitet wird.
Im Kontext von Wi-Fi 7 wird im Standardisierungsausschuss die Verwendung bestimmter „fortschrittlicher“ Datenübertragungsmethoden diskutiert. Theoretisch verbessern diese Methoden die spektrale Effizienz bei Wiederholungsversuchen sowie bei gleichzeitigen Übertragungen in dieselbe oder entgegengesetzte Richtungen. Es geht um Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ), das derzeit in Mobilfunknetzen verwendet wird, um den Full-Duplex-Modus und um Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Diese Methoden sind theoretisch gut erforscht, aber es ist noch unklar, ob der Leistungszuwachs, den sie bieten, den Aufwand für ihre Implementierung rechtfertigt.
- Nutzung HARQ Die Implementierung von HARQ in Wi-Fi wird durch das folgende Problem erschwert. Um die Kosten zu senken, werden Pakete im Wi-Fi zusammengeführt. In den aktuellen Versionen von Wi-Fi wird die Zustellung jedes Pakets innerhalb des zusammengeführten Blocks bestätigt, und wenn die Bestätigung ausbleibt, wird die Übertragung des Pakets mithilfe der Methoden des Zugriffsprotokolls wiederholt. HARQ überträgt Wiederholungsversuche von der Kanalsicht auf die physische Ebene, wo es keine Pakete mehr gibt, sondern nur noch Codewörter, die Grenzen dieser Codewörter jedoch nicht mit den Grenzen der Pakete übereinstimmen. Diese Asynchronität erschwert die Umsetzung von HARQ in Wi-Fi.
- Was Voll-Duplex, so zurzeit können in Mobilfunknetzen sowie in WLAN-Netzen nicht gleichzeitig Daten zu und von einem Zugangspunkt (Basisstation) im selben Frequenzkanal übertragen werden. Technisch gesehen liegt das an der großen Differenz zwischen der Stärke des ausgegebenen und empfangenen Signals. Obwohl es Prototypen gibt, die digitale und analoge Subtraktion des übertragenden Signals vom empfangenen kombinieren und in der Lage sind, das Wi-Fi-Signal während seiner Übertragung zu erhalten, kann der Gewinn, den sie praktisch bieten, gering sein, da zu jedem Zeitpunkt der Downstream nicht gleich dem Upstream ist (im Durchschnitt ist der Downstream „für alle“ deutlich größer). Dabei würde eine solche bidirektionale Übertragung das Protokoll erheblich komplizieren.
- Wenn für die Übertragung mehrerer Ströme mit MIMO mehrere Antennen für Sender und Empfänger erforderlich sind, kann der Zugangspunkt im Fall des nicht-orthogonalen Zugangs gleichzeitig Daten an zwei Empfänger mit einer Antenne übertragen. Verschiedene Varianten des nicht-orthogonalen Zugangs sind in den neuesten 5G-Spezifikationen enthalten. Prototyp NOMA Wi-Fi wurde erstmals 2018 im IPPI RAN eingeführt (bitte nicht als Werbung verstehen). Es zeigte einen Leistungszuwachs von 30-40 %. Zu den Vorteilen der entwickelten Technologie gehört die Abwärtskompatibilität: Einer der beiden Empfänger kann ein veraltetes Gerät sein, das Wi-Fi 7 nicht unterstützt. Das Thema der Abwärtskompatibilität ist besonders wichtig, da in einem Wi-Fi-Netzwerk Geräte verschiedener Generationen gleichzeitig arbeiten können. Derzeit analysieren mehrere Teams weltweit die Effizienz der gemeinsamen Nutzung von NOMA und MU-MIMO, deren Ergebnisse über die weitere Zukunft dieses Ansatzes entscheiden werden. Wir arbeiten auch weiterhin an einem Prototyp: Die nächste Version wird auf der IEEE INFOCOM-Konferenz im Juli 2020 vorgestellt werden.
Ein weiteres wichtiges Novum, dessen Zukunft jedoch ungewiss ist, ist die koordinierte Zusammenarbeit von Zugangspunkten. Obwohl viele Anbieter ihre eigenen zentralisierten Controller für Unternehmens-Wi-Fi-Netzwerke haben, waren die Funktionen solcher Controller in der Regel auf die Konfiguration langfristiger Einstellungen und die Auswahl von Kanälen beschränkt. Der Standardisierungsausschuss diskutiert über eine engere Zusammenarbeit zwischen benachbarten Zugangspunkten, die koordinierte Übertragungsplanung, Beamforming (gerichtete Signalübertragung) und sogar verteilte MIMO-Systeme umfasst. Einige der in Betracht gezogenen Ansätze verwenden sequenzielle Störunterdrückung (ähnlich wie bei NOMA). Auch wenn die Ansätze zur Koordination von 11be noch nicht ausgearbeitet sind, besteht kein Zweifel daran, dass der Standard es Zugangspunkten verschiedener Hersteller ermöglichen wird, ihre Übertragungsschemata zu koordinieren, um gegenseitige Interferenzen zu reduzieren. Was die anderen, komplexeren Ansätze (wie verteiltes MU-MIMO) betrifft, wird es schwieriger sein, diese in den Standard zu integrieren, obwohl einzelne Mitglieder der Gruppe entschlossen sind, dies im Rahmen von Release 2 zu erreichen. Unabhängig vom Ausgang bleibt die Zukunft der Koordinationsmethoden für Zugangspunkte ungewiss. Selbst wenn sie in den Standard aufgenommen werden, könnten sie möglicherweise nie den Markt erreichen. Ähnliches ist bereits früher bei den Versuchen passiert, die Wi-Fi-Übertragungen mit Lösungen wie HCCA (11e) und HCCA TXOP Negotiation (11be) zu regulieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die meisten Vorschläge, die mit den ersten fünf Gruppen verbunden sind, Teil von Wi-Fi 7 werden, während die Vorschläge der letzten beiden Gruppen erhebliche weitere Forschungen benötigen, um ihre Wirksamkeit zu belegen.