Das Wichtigste an Wi-Fi 6. Nein, im Ernst.

Hallo.

Laut der Einfachheitstheorie von Einstein ist die Hauptkennzahl für das Verständnis eines Themas die Fähigkeit, es so einfach wie möglich zu erklären. Daher werde ich in diesem Beitrag versuchen, die Funktionsweise eines Aspekts des neuen Standards auf eine leicht verständliche und detaillierte Weise zu erläutern. Merkwürdigerweise wird dieser Aspekt sogar von der Wi-Fi Alliance als unverworthy für die Erwähnung in Grafiken über die neuen Funktionen von Wi-Fi 6 angesehen. Dabei ist er, wie wir bald gemeinsam feststellen werden, sehr wichtig und bemerkenswert. Hier sind die Informationen zwar nicht besonders tiefgründig und sicherlich nicht vollständig (da es schwierig ist, einen so großen Brocken zu verarbeiten, selbst in kleinen Teilen), aber ich hoffe, dass wir alle aus meinen Ausführungen etwas Neues und Interessantes für uns mitnehmen können.

Der lang erwartete 802.11ax, auf den wir schon seit mindestens zwei Jahren warten, bringt eine Vielzahl neuer und erstaunlicher Features mit sich. Jeder, der etwas darüber erzählen möchte, steht vor der Wahl: Entweder man macht einen Überblick über die verschiedenen Aspekte, nennt eine Vielzahl von Abkürzungen und versucht, sich nicht in den komplexen Mechanismen zu verlieren, oder man entscheidet sich für einen ausführlichen Bericht über einen bestimmten Punkt, der dem Autor am meisten liegt. Ich wage es, noch weiter zu gehen: Der größte Teil meines Beitrags wird sich sogar nicht einmal um das Neue drehen!

Bereits seit über zwanzig Jahren basiert ein Teil der drahtlosen Datenübertragung auf einer Vielzahl von Standards der Familie 802.11, und wie jeder respektable Redner sollte ich einen kurzen Rückblick auf die gesamte zeitliche Abfolge der Ereignisse geben, die der Welt Milliarden kompatibler Geräte beschert hat - aber als respektvoller Autor wage ich es, darauf zu verzichten. Dennoch sollte es einige Punkte geben, die wir uns gegenseitig ins Gedächtnis rufen sollten.

Alle Wi-Fi-Iterationen stellten die Zuverlässigkeit über die Maximierung der Bandbreite. Dies ergibt sich aus dem Medium Access Control (CSMA/CA), welches nicht optimal für das Herausquetschen der letzten Kilobits pro Sekunde aus dem Übertragungsmedium ist (mehr über die Imperfektionen dieser Welt und insbesondere von Wi-Fi kann man im Artikel meines früheren Kollegen lesen, wenn gewünscht. skhomm hier entlang), aber unglaublich robust unter nahezu allen Bedingungen. Tatsächlich kann man nahezu alle Grundlagen des Wi-Fi-Netzwerkdesigns brechen – und in einem solchen Netzwerk wird der Datenaustausch dennoch stattfinden! Der gesamte Mechanismus, mit dem die Kunden des Wi-Fi-Netzwerks ihre Daten übermitteln und/oder empfangen können, zielt darauf ab, das, was im Englischen als "Robustheit" bezeichnet wird, zu gewährleisten, ein Begriff, der in der Übersetzung schwer zu fassen ist. Über all den übereinandergelegten Schichten von Modulationserhöhungen und Rahmenaggregation (nicht ganz korrekt, aber lassen wir es so!) läuft alles weiterhin nach den zwei grundlegenden Prinzipien von 802.11, die diese unvergleichliche Zuverlässigkeit garantieren:

1. „Wenn einer spricht, schweigen die anderen“;
2. „Alles außer Daten wird langsam und deutlich gesagt.“

Der zweite Punkt schädigt die Netzwerkbandbreite weit mehr, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Hier ist ein tolles Bild, das ein gesendetes Datenpaket im Wi-Fi-Netzwerk veranschaulicht:

Lassen Sie uns herausfinden, was das für gewöhnliche Menschen bedeutet, die nicht wissen, wie viele Seiten im Standard 802.11-2016 stehen. Die Datenübertragungsrate, die das System in den Eigenschaften des drahtlosen Netzwerks angibt und die auf den Verpackungen von Access Points von Marketingfachleuten verschiedener Hersteller dargestellt wird (Sie haben sicher gesehen – 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), ist nicht nur der Höchstwert und maximal bei 100 % Übertragungszeit, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der nur der blaue Teil in diesem schönen Diagramm gesendet wird. Alles andere wird mit einer Geschwindigkeit übertragen, die im Englischen „management rate“ genannt wird (und im Russischen ebenfalls, da die Übersetzung solcher Ausdrücke zu weiterem Missverständnis zwischen Ingenieuren führen kann,) und die nicht nur um ein Vielfaches niedriger ist, sondern um HUNDERTE Zum Beispiel, ohne jegliche zusätzliche Einstellungen, überträgt das Netzwerk auf 802.11ac, das mit Clients bei einer Kanalgeschwindigkeit von 1300 Mbit/s arbeitet, alle Steuerinformationen (alles, was nicht blau in unserem immer bedrohlicheren Diagramm ist) mit einer Managementrate von 6 Mbit/s. Über zweihundertmal langsamer!

Die naheliegende Frage ist: An welchem Datum, entschuldigen Sie, Monat könnte so eine schädliche Idee überhaupt in einen Standard gelangen, auf den Milliarden von Geräten weltweit angewiesen sind? Die logische Antwort lautet: Kompatibilität, Kompatibilität, Kompatibilität! Ein Netzwerk auf dem neuesten Access Point muss die Möglichkeit bieten, mit Geräten zu arbeiten, die zehn bis sogar fünfzehn Jahre alt sind. Und genau in all diesen "nicht-blauen" Stückchen saust die Information, die langsame, alte Geräte empfangen, korrekt verstehen und nicht versuchen zu übertragen, während superschnelle Datenstücke gesendet werden. Robustheit erfordert Opfer!

Jetzt bin ich bereit, jedem Interessierten ein unverzichtbares Werkzeug an die Hand zu geben, um sich über die potenziell übertragenen Megabits in der modernen Wi-Fi-Welt zu wundern — es ist ein Muss in den Ingenieurskreisen, die sich damit beschäftigen. Der WiFi AirTime Rechner des norwegischen Enthusiasten von 802.11 Gjermund Raaen. Er ist verfügbar unter diesem Link verfügbar — das Ergebnis seiner Arbeit sieht ungefähr so aus:

Zeile 1 — die Zeit, die benötigt wurde, um ein 1512 Byte großes Datenpaket mit einem 802.11n Gerät im 20 MHz Kanal zu übertragen.

Zeile 2 — die Zeit, die benötigt wurde, um ein gleich großes Paket mit einem Gerät derselben Antennenformel zu übertragen, jedoch nach dem 802.11ac Standard im 80 MHz Kanal.

Wie kann das sein — „verschwendet“ wird viermal mehr Frequenz, die maximale Modulation hat sich von 64QAM auf 256QAM kompliziert, die Kanalgeschwindigkeit ist mehr als SECHS mal (433 Mbit/s statt 72 Mbit/s), und doch wird maximal 25% der Zeit des Frequenzbereichs gewonnen?

Kompatibilität und die beiden Prinzipien von 802.11, erinnern Sie sich?

Wie können wir diese Ungerechtigkeit und Verschwendung beheben? Das fragen wir uns, wie sich wahrscheinlich jede Arbeitsgruppe der IEEE bei der Erstellung eines Standards gefragt hat. Es fallen mir mehrere logische Wege ein:

1. Die Datenübertragung im 'grünen' Abschnitt des Diagramms beschleunigen. Das geschieht bei jedem neuen Standard, denn große Zahlen sehen gut auf Verpackungen aus. In der Praxis, wie wir gerade festgestellt haben, führt das jedoch nur zu einem geringfügigen Anstieg – selbst wenn wir die Kanalkapazität auf hunderttausend Millionen Gigabit pro Nanosekunde erhöhen, bleiben die anderen Teile des Diagramms unverändert. Aus diesem Grund empfehle ich, in allen Erzählungen über die neuen Standards von 802.11 die Absätze zu überspringen, in denen von Megabits pro Sekunde die Rede ist.
2. Alle anderen Teile des Diagramms beschleunigen. In der Tat, wenn wir die Geschwindigkeit, mit der alles "nicht-grün" (oder "nicht-blau", falls Sie immer noch auf das vorherige Bild schauen) übertragen wird, zumindest verdoppeln, erhalten wir etwas weniger als 50 % an tatsächlicher Bandbreitensteigerung — allerdings auf Kosten der Kompatibilität mit Geräten und einer Reihe anderer Nuancen, die Sie erfahren werden, wenn Sie mit der Vorbereitung auf die Prüfung zum stolzen Titel CWNA beginnen 🙂 Spoiler: Das gelingt nicht immer, und es ist wichtig, gut zu überlegen und zu verstehen, wohin das führen kann. Tatsächlich verstößt dies gegen eines der beiden Prinzipien von 802.11, also seien Sie dabei vorsichtig!
3. Einige solcher Frames mit grünen Teilen zusammenzufügen. Je länger der grüne Teil ist, desto effektiver funktioniert die Erhöhung der Kanalgeschwindigkeit. Ja, das ist eine durchaus praktikable Strategie, die bereits in 802.11n entstand und einen der Eckpfeiler seiner Revolution darstellt. Das Problem ist nur, dass erstens viele Anwendungen auf eine solche Aggregation pfeifen (zum Beispiel das gerade erwähnte, ressourcenintensive Voice over Wi-Fi) und zweitens auch viele Geräte damit nichts anfangen können. Ich habe versucht, einige dieser aggregierten Frames in einem echten Netzwerk des Unternehmens, in dem ich arbeite, aufzufangen, aber von über 500.000 „aufgepickten“ aggregierten Frames gab es genau null. Wahrscheinlich liegt das an meiner Datensammlungsmethodik, aber ich bin bereit, diese mit jedem, der möchte, in einem persönlichen Gespräch zu diskutieren!).
4. Den ersten der beiden 802.11-Grundsätze zu verletzen, indem man anfängt zu sprechen, während jemand anders spricht. An dieser Stelle kommt 802.11ax ins Spiel.

Wie großartig, endlich bin ich in meiner Erzählung über Wi-Fi 6 tatsächlich bei Wi-Fi 6 angekommen! Wenn Sie das hier immer noch lesen, haben Sie entweder einen Grund dazu, oder es interessiert Sie wirklich. Es ist so, dass 802.11ax zwar einen Großteil der bisherigen Entwicklungen der gesamten 802.11-Familie (und nicht nur davon – einige coole Features stammen sogar aus 802.16, auch bekannt als WiMAX) übernimmt, aber dennoch gibt es darin einige frische und originelle Aspekte. Üblicherweise wird auf diese Worte ein Bild eingefügt, das auf der Webseite der Wi-Fi Alliance verfügbar ist:

Wie ich von Anfang an erwähnt habe, können wir in einem einzigen, lesbaren Artikel nur einen dieser wichtigen Punkte betrachten, und zwar keinen der im Bild dargestellten (Überraschung!). Ich bin mir sicher, dass Sie bereits Millionen flüchtiger Beschreibungen jeder dieser acht Schlüsselelemente gelesen haben, ich werde jedoch meine langatmige Erzählung darüber fortsetzen, was sich aus OFDMA – der Mehrfachzugriffssteuerung (MU-access control) – ergibt, die, wie wir sehen, auf der Infografik gar nicht abgebildet ist. Und das völlig zu Unrecht!

Der gleichzeitige Zugriff ist entscheidend, denn ohne ihn ist das Teilen eines Kanals auf Unterträger völlig sinnlos. Warum sollten wir versuchen, verschiedene Teile des Spektrums zu betrachten, wenn es keinen Mechanismus gibt, der es den Geräten im neuen Wi-Fi 6-Netzwerk ermöglicht, eine seit langem bestehende Regel zu brechen und gleichzeitig zu kommunizieren? Natürlich musste ein solcher Mechanismus geschaffen werden, um den Einfluss des Problems der „langen“ Verzögerung im Vergleich zu den Nutzdaten zu verringern. Wie funktioniert das? Ganz einfach: Der „langsame“ Teil, der für die Steuerinformationen verantwortlich ist, wird wie gewohnt verteilt, während der „schnelle“ Teil, in dem die eigentlichen Daten übertragen werden, gleichzeitig von mehreren (oder vielen) Geräten auf Befehl gesendet wird! So könnte das aussehen:

Es sieht kompliziert aus, lässt sich aber im Grunde ganz einfach erklären: Ein Access Point informiert mit einem speziellen Rahmen, der für alle Geräte verständlich ist (sogar für Nicht-Wi-Fi-6-Geräte!), dass er bereit ist, Daten gleichzeitig an STA1 und STA2 zu übermitteln. Da der „Header“ dieses Rahmens selbst für sehr alte Clients klar ist, schließen sie korrekt, dass das Medium für eine bestimmte Zeit mit der Übertragung von Informationen an andere Netzwerk-Clients belegt sein wird, und beginnen, die Zeit bis zum Ende dieses Zeitraums zu zählen (so wie immer beim Wi-Fi). Die Geräte STA1 und STA2 hingegen erkennen, dass ihnen die Daten nun auf eine neue Weise, gleichzeitig und jeder auf seinem eigenen Teil des Kanals übermittelt werden, und antworten dem Access Point ebenfalls gleichzeitig, gefolgt von einer synchronen Bestätigung des Empfangs des Rahmens (jeder mit seinem eigenen Datenpaket!). Das Medium wird dann wieder freigegeben. „Von unten nach oben“ funktioniert es ungefähr so:

Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Zugangspunkt in dieser Situation den Stationen, die gleichzeitig kommunizieren können, signalisiert, wann die Übertragung starten soll. Dies geschieht mithilfe eines speziellen Frames, der entsprechend als 'Trigger' bezeichnet wird. Dies ist im Grunde genommen der neue "Auslöser" des gesamten Mechanismus für mehrere gleichzeitige Zugriffe auf das Medium, was meiner bescheidenen Meinung nach eine der bedeutendsten Innovationen 'unter der Haube' des neuen Standards darstellt. In diesem Mechanismus erhalten die Kunden ein 'Zeitplan', wie sie sich einen Frequenzkanal teilen können; hier teilen die Kunden der Zugangsstelle gleichzeitig mit, dass sie ihre Datenpakete empfangen und diese verarbeiten konnten. Gleichzeitig informiert der Zugangspunkt alle, die 'gleichzeitig sprechen' können, über den Beginn der Datenübertragung – und genau hier startet der Zugangspunkt auch die Übertragung der benötigten Daten. Der neue Mechanismus des Trigger-Frames ermöglicht es im Grunde, die ineffiziente Nutzung des Frequenzspektrums erheblich zu reduzieren – und das so effektiv, wie viele Kunden ihn nutzen und korrekt interpretieren können!

Lassen Sie uns nun die wichtigsten Punkte zusammenfassen, die aus dieser langen Erzählung hervorgehen und als TL;DR gelten können:

1. Die Zugangspunkte des neuen Standards 802.11ax, selbst wenn sie sich nur auf eine der vielen Neuerungen stützen, werden die Gesamtdatenrate des gesamten Netzwerks bereits mit einem und zweiten kompatiblen Client-Gerät erhöhen! Sobald mindestens zwei Clients gleichzeitig kommunizieren können, werden sie bei gleichen Bedingungen (ich habe keinen Grund zu glauben, dass die Treiber für die Client-Radiomodule besser geschrieben werden als zuvor, was bedeutet, dass auch die Aggregation der "nützlichen" Teile der Pakete und viele andere clientabhängige Funktionen nach wie vor "im Durchschnitt" nicht optimal funktionieren) bereits die durchschnittliche Datenrate erhöhen. Wenn Sie also über ein neues Wi-Fi-Netzwerk nachdenken, sollten Sie sofort die neuesten und besten Zugangspunkte in Betracht ziehen, denn auch wenn es derzeit noch wenige Clients dafür gibt, wird sich die Situation nicht lange so halten.
2. Die Tricks und Kniffe, die heute im Repertoire eines guten Wireless-Ingenieurs vorhanden sind, werden noch lange relevant bleiben – der Zugang zur Umgebung hat sich zwar modernisiert und die über 20 Jahre alten Grundprinzipien gebrochen, bleibt jedoch weiterhin auf Kompatibilität fokussiert. Es ist nach wie vor notwendig, "langsame" Management-Raten auszuschließen (und ebenfalls zu verstehen, warum und wann), und die physikalische Schicht sollte weiterhin richtig geplant werden, denn kein Mechanismus auf der Kanalebene wird funktionieren, wenn es Probleme auf physischer Ebene gibt. Es ist einfach möglich geworden, noch mehr zu erreichen. noch besser.
3. Fast alle Entscheidungen beim Wi-Fi 6 werden von dem Zugangspunkt getroffen. Wie wir sehen, verwaltet er den Zugang der Kunden zur Umgebung, indem er Geräte in „Perioden“ der gleichzeitigen Nutzung zusammenführt. Gehen wir einen Schritt weiter – auch die Funktion TWT liegt vollständig in der Verantwortung des Zugangspunkts. Dieser muss nun nicht nur das Netzwerk „übertragen“ und den Verkehr in Warteschlangen speichern, sondern auch alle Kunden berücksichtigen und planen, wie sie am vorteilhaftesten zusammengeschlossen werden können, basierend auf ihren Bandbreiten und Traffic-Bedürfnissen, ihrer Akkuleistung und vielem mehr – ich nenne diesen Prozess „Orchestrierung“. Die Algorithmen, nach denen der Zugangspunkt all diese Entscheidungen treffen wird, sind nicht festgelegt, was bedeutet, dass die wahre Qualität und der strukturelle Ansatz der Hersteller genau in der Entwicklung der Orchestrierungsalgorithmen sichtbar werden. Je genauer die Zugangspunkte die Bedürfnisse der Kunden vorhersagen, desto besser und gleichmäßiger können sie sie in Gruppen für den Mehrfacheingang zusammenfassen – folglich werden die Ressourcen des Frequenzbandes effizienter genutzt und die Gesamtbandbreite eines solchen Zugangspunkts wird höher sein. Der Algorithmus ist die letzte Grenze!
4. Der Übergang von Wi-Fi 5 zu Wi-Fi 6 ist in seiner Natur und Bedeutung ebenso revolutionär wie der Wechsel von 802.11g zu 802.11n. Damals erhielten wir Multistreaming und die Aggregation von "Payload" – jetzt bekommen wir gleichzeitig Zugriff auf das Medium und endlich funktionierendes MU-MIMO und Beamforming (um es einmal klarzustellen: das ist fast dasselbe; zudem ist die Diskussion darüber, „warum MU-MIMO in 802.11ac erfunden wurde, aber nicht zum Laufen gebracht werden konnte“, ein Thema für einen separaten großen Artikel 🙂). Sowohl 802.11n als auch Wi-Fi 6 funktionieren in beiden Frequenzbändern (2,4 GHz und 5 GHz), im Gegensatz zu den „intermediären“ Vorgängern – tatsächlich gilt: „Sechs ist das neue Vier“!

Ein wenig über die Ursprünge dieses Artikels
Der Artikel wurde für einen Wettbewerb geschrieben, der von der Firma Huawei veranstaltet wurde (ursprünglich veröffentlicht wurde hier nachlesen). Dabei stützte ich mich bei der Erstellung weitgehend auf meinen eigenen Vortrag auf der Konferenz „Drahtlos“, die 2019 in St. Petersburg stattfand (eine Aufzeichnung des Vortrags kann man ansehen auf YouTube, beachten Sie nur – der Ton ist, um es freundlich auszudrücken, nicht besonders gut, trotz des Petersburger Ursprungs des Videos!).

Quelle: habr.com