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

Vor kurzem wurden Geräte auf den Markt gebracht, die die Wi-Fi 6-Technologie (IEEE 802.11ax) unterstützen, über die viel gesprochen wird. Aber nur wenige wissen, dass bereits an der nächsten Generation der Wi-Fi-Technologie - Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be) - gearbeitet wird. Was Wi-Fi 7 sein wird, ist Thema dieses Artikels.

Vorgeschichte

Im September 2020 werden wir das 30-jährige Jubiläum des IEEE 802.11-Projekts feiern, das einen erheblichen Einfluss auf unser Leben hatte. Derzeit ist die Wi-Fi-Technologie, die durch die Familie der Standards IEEE 802.11 definiert wird, die beliebteste drahtlose Technologie für die Internetverbindung: Wi-Fi überträgt mehr als die Hälfte des Benutzertraffics. Während Mobilfunktechnologien alle zehn Jahre ein Rebranding erfahren, indem der Name 4G durch 5G ersetzt wird, geschieht die Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit bei Wi-Fi sowie die Einführung neuer Dienste und Funktionen nahezu unbemerkt. Nur wenige Kunden kümmern sich um die Buchstaben 'n', 'ac' oder 'ax', die auf den '802.11'-Boxen für Hardware folgen. 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 diesen Leistungszuwachs dank schnellerer Signal-Codierungsstrukturen, breiterer Kanäle und dem Einsatz verschiedener Technologien. MIMO.

Neben dem Hauptziel der Hochgeschwindigkeits-Drahtlosnetzwerke umfasst die Evolution von Wi-Fi mehrere Nischenprojekte. Zum Beispiel war Wi-Fi HaLow (802.11ah) ein Versuch, Wi-Fi auf den Markt des drahtlosen Internets der Dinge zu bringen. Millimeterwellen-Wi-Fi (802.11ad/ay) unterstützt nominale Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 275 Gbit/s, allerdings über sehr kurze Distanzen.

Neue Anwendungen und Services im Zusammenhang mit hochauflösenden Video-Streams, virtueller und erweiterter Realität, Gaming, Remote-Arbeitsplätzen und Cloud-Computing sowie der Notwendigkeit, eine große Anzahl von Nutzern mit intensivem Verkehr in drahtlosen Netzwerken zu unterstützen, erfordern hohe Leistungsfähigkeit.

Ziele von Wi-Fi 7

Im Mai 2019 hat die Untergruppe BE (TGbe) der Arbeitsgruppe 802.11 des Normungsausschusses für lokale und städtische Netzwerke mit der Arbeit an einem neuen Zusatzstandard für Wi-Fi begonnen, der die nominelle Bandbreite auf über 40 Gbit/s erhöhen wird in einem Frequenzkanal des 'typischen' Wi-Fi-Bereichs < = 7 GHz. Während in vielen Dokumenten oft von einer 'maximalen Bandbreite von mindestens 30 Gbit/s' die Rede ist, wird das neue physikalische Protokoll nominelle Geschwindigkeiten von über 40 Gbit/s gewährleisten.

Ein weiteres wichtiges Entwicklungsfeld von Wi-Fi 7 ist die Unterstützung von Echtzeitanwendungen (Spiele, virtuelle und erweiterte Realität, Robotermanagement). Bemerkenswert ist, dass es lange Zeit als unmöglich galt, eine Garantierung von geringen Latenzen (im Millisekundenbereich), auch bekannt als Time-Sensitive Networking, in Wi-Fi-Netzwerken zu realisieren, obwohl Wi-Fi besonders für Audio- und Videodatenverkehr ausgelegt ist. Im November 2017 hat unser Team vom IPPI RAN und der HSE (bitte nicht als Werbung verstehen) einen entsprechenden Vorschlag in der IEEE 802.11 Gruppe unterbreitet. Der Vorschlag fand großes Interesse, und im Juli 2018 wurde eine spezielle Untergruppe ins Leben gerufen, um dieses Thema weiter zu erforschen. Da für die Unterstützung von Echtzeitanwendungen sowohl hohe nominelle Datenübertragungsgeschwindigkeiten als auch eine Erweiterung der Funktionalität auf der Ebene der Datenkanäle erforderlich sind, hat die Arbeitsgruppe 802.11 beschlossen, Methoden zur Unterstützung von Echtzeitanwendungen im Rahmen von Wi-Fi 7 zu entwickeln.

Eine wichtige Frage im Zusammenhang mit Wi-Fi 7 ist sein Zusammenleben mit Mobilfunktechnologien (4G/5G), die von der 3GPP entwickelt werden und im gleichen nicht lizenzierten Frequenzband arbeiten. Es geht um LTE-LAA/NR-U. Um die Herausforderungen zu untersuchen, die durch das Zusammenleben von Wi-Fi und Mobilfunknetzen entstanden sind, hat IEEE 802.11 das Coexisting Standing Committee (Coex SC) ins Leben gerufen. Trotz zahlreicher Treffen und sogar eines gemeinsamen Seminars von Teilnehmern der 3GPP und IEEE 802.11 im Juli 2019 in Wien sind technische Lösungen noch nicht genehmigt worden. Eine mögliche Erklärung für diese fruchtlose Tätigkeit ist, dass weder IEEE 802 noch 3GPP ihre eigenen Technologien ändern möchten, um sie aufeinander abzustimmen. 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 für Wi-Fi 7 sich in einem sehr frühen Stadium befindet, wurden bis jetzt etwa 500 Vorschläge für neue Funktionen zur zukünftigen Wi-Fi 7, auch bekannt als IEEE 802.11be, eingebracht. Die meisten Ideen werden derzeit in der Untergruppe be diskutiert und eine Entscheidung darüber wurde noch nicht getroffen. Andere Ideen wurden kürzlich genehmigt. Unten wird explizit angegeben, welche Vorschläge genehmigt sind und welche nur diskutiert werden.

Ursprünglich war geplant, dass die Entwicklung der grundlegenden neuen Mechanismen bis März 2021 abgeschlossen sein sollte. Die endgültige Version des Standards wird Anfang 2024 erwartet. Im Januar 2020 äußerte die Untergruppe 11be Bedenken, ob die Entwicklung im Zeitplan erfolgen wird, wenn das aktuelle Arbeitstempo beibehalten wird. Um den Entwicklungsprozess des Standards zu beschleunigen, einigte sich die Untergruppe darauf, einen kleinen Satz von Hochprioritätsfunktionen auszuwählen, die bis 2021 (Release 1) veröffentlicht werden können, während die restlichen für Release 2 vorgesehen sind. Die Hochprioritätsfunktionen sollten einen wesentlichen Leistungszuwachs bieten und umfassen die Unterstützung von 320 MHz, 4K-QAM und offensichtliche Verbesserungen des OFDMA von Wi-Fi 6, MU-MIMO mit 16 Streams.

Wegen des Coronavirus versammelt sich die Gruppe derzeit nicht persönlich, sondern veranstaltet regelmäßig Telefonkonferenzen. Somit hat sich die Entwicklung etwas verlangsamt, aber nicht gestoppt.

Technologiedetails

Betrachten wir die Hauptneuheiten von Wi-Fi 7.

Das neue physikalische Protokoll ist eine Weiterentwicklung des Wi-Fi 6 Protokolls mit einer Verdopplung der Bandbreite auf 320 MHz, einer Verdopplung der Anzahl der räumlichen Streams bei MU-MIMO, was die nominale Durchsatzrate um 2×2 = 4 mal erhöht. Wi-Fi 7 beginnt auch, die Modulation 4K-QAM, was einen zusätzlichen Zuwachs von 20 % zur nominalen Durchsatzrate hinzufügt. Somit wird Wi-Fi 7 eine nominale Datenübertragungsrate von 2x2x1,2 = 4,8 mal höher bieten im Vergleich zu Wi-Fi 6: die maximale nominale Durchsatzrate von Wi-Fi 7 beträgt 9,6 Gbit/s × 4,8 = 46 Gbit/s. Außerdem wird eine revolutionäre Änderung im physikalischen Protokoll vorgenommen, die die Kompatibilität mit zukünftigen Versionen von Wi-Fi sicherstellen soll, aber für die Benutzer unsichtbar bleibt.
Änderung der Zugriffsmetode für die Unterstützung von Echtzeitanwendungen wird unter Berücksichtigung der IEEE 802 TSN-Erfahrung für kabelgebundene Netzwerke durchgeführt. Die laufenden Diskussionen im Standardisierungsausschuss drehen sich um das Verfahren der zufälligen Verzögerung beim Zugriff auf den Kanal, die Dienstgüteklassen für den Datenverkehr und entsprechende separate Warteschlangen für Echtzeitdatenverkehr sowie die Paketbehandlungspolitik.
Einführung in Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – ein zeit- und frequencies geteiltes Zugriffsverfahren (ähnlich dem, das in 4G- und 5G-Netzen verwendet wird) – bietet neue Möglichkeiten zur optimalen Ressourcennutzung. Allerdings ist OFDMA in 11ax nicht flexibel genug. Erstens ermöglicht es dem Access Point, für ein Client-Gerät nur einen Ressourcenkblock fester Größe zuzuweisen. Zweitens unterstützt es keine direkte Übertragung zwischen Clientstationen. Beide Mängel verringern die spektrale Effizienz. Darüber hinaus verschlechtert die mangelnde Flexibilität, die von Wi-Fi 6 OFDMA geerbt wurde, die Leistung in stark frequentierten Netzwerken und erhöht die Verzögerung, was für Echtzeitanwendungen kritisch ist. 11be wird diese OFDMA-Probleme lösen.
Eine der genehmigten revolutionären Änderungen in Wi-Fi 7 ist die integrierte Unterstützung für die gleichzeitige Nutzung mehrerer paralleler Verbindungen auf verschiedenen Frequenzen, was sowohl für extrem hohe Datenübertragungsraten als auch für extrem niedrige Latenzzeiten von Vorteil ist. Zwar können moderne Chipsätze bereits mehrere Verbindungen gleichzeitig nutzen, zum Beispiel im 2.4- und 5-GHz-Bereich, aber diese Verbindungen sind unabhängig, was die Effizienz dieser Operation einschränkt. In 11be wird ein Synchronisationsgrad zwischen den Kanälen gefunden, der eine effiziente Nutzung der Kanalressourcen ermöglicht und wesentliche Änderungen der Zugriffsprotokollregeln mit sich bringt.
Die Verwendung von sehr breiten Kanälen und einer großen Anzahl räumlicher Ströme führt zu einem Problem hoher Overheads, die mit dem Zustandsschätzverfahren verbunden sind, das für MIMO und OFDMA notwendig ist. Diese Overheads machen den gesamten Gewinn aus der Erhöhung der nominalen Datenübertragungsraten zunichte. Es wird erwartet, dass das Zustandsschätzverfahren überarbeitet wird.
Im Kontext von Wi-Fi 7 wird im Normungsausschuss die Verwendung einiger "fortschrittlicher" Datenübertragungsmethoden erörtert. Theoretisch erhöhen diese Methoden die spektrale Effizienz bei Wiederholungsversuchen sowie bei gleichzeitigen Übertragungen in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung. Es handelt sich um Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ), das derzeit in Mobilfunknetzen verwendet wird, um den Full-Duplex-Modus und den nicht-orthogonalen multizugriff (NOMA). Diese Methoden sind theoretisch gut erforscht, es ist jedoch noch unklar, ob der Leistungszuwachs, den sie bieten, die Bemühungen um ihre Implementierung rechtfertigt.
- Verwendung HARQ wird durch das folgende Problem kompliziert. Um die Overheadkosten im Wi-Fi zu reduzieren, werden Pakete zusammengefügt. In den aktuellen Wi-Fi-Versionen wird die Lieferung jedes Pakets innerhalb der Fusion bestätigt und, wenn die Bestätigung nicht eintrifft, wird das Paket mit den Methoden des Kanalzugangsprotokolls erneut gesendet. HARQ überträgt die Wiederholungsversuche von der Kanal- auf die physikalische Ebene, wo es keine Pakete mehr gibt, sondern Codewörter, wobei die Grenzen der Codewörter nicht mit den Paketgrenzen übereinstimmen. Diese De-Synchronisation erschwert die Implementierung von HARQ in Wi-Fi.
- Was das betrifft Full-Duplex, derzeit ist es weder in Mobilfunknetzen noch in Wi-Fi-Netzen möglich, Daten gleichzeitig in einem und demselben Frequenzkanal sowohl an den Access Point (Basisstation) zu senden als auch von ihm zu empfangen. Technisch bedingt liegt dies an dem großen Unterschied in der Leistung des gesendeten und empfangenen Signals. Obwohl es Prototypen gibt, die eine digitale und analoge Subtraktion des gesendeten Signals vom empfangenen kombinieren und in der Lage sind, Wi-Fi-Signale während ihrer Übertragung zu empfangen, könnte der Gewinn, den sie in der Praxis bringen können, aufgrund der Tatsache, dass der absteigende Strom zu jedem Zeitpunkt nicht dem aufsteigenden entspricht (im Durchschnitt ist der absteigende deutlich größer), gering sein. Darüber hinaus würde eine derartige beidseitige Übertragung das Protokoll erheblich komplizieren.
- Wenn mehrere Antennen für Sender und Empfänger für die Übertragung mehrerer Ströme mit MIMO erforderlich sind, kann der Zugangspunkt im Falle des nicht-orthogonalen Zugangs gleichzeitig Daten an zwei Empfänger mit einer Antenne übermitteln. Verschiedene Varianten des nicht-orthogonalen Zugangs sind in den neuesten 5G-Spezifikationen enthalten. Prototyp NOMA Wi-Fi wurde erstmals 2018 am IPPI RAN entwickelt (bitte nicht als PR ansehen). Es zeigte eine Leistungssteigerung von 30-40%. Zu den Vorteilen der entwickelten Technologie gehört die Abwärtskompatibilität: Einer der beiden Empfänger könnte ein veraltetes Gerät sein, das Wi-Fi 7 nicht unterstützt. Generell ist das Thema der Abwärtskompatibilität sehr wichtig, da in einem Wi-Fi-Netzwerke Geräte verschiedener Generationen gleichzeitig arbeiten können. Derzeit analysieren mehrere Teams weltweit die Effizienz der gemeinsamen Nutzung von NOMA und MU-MIMO, deren Ergebnisse das Schicksal des Ansatzes bestimmen werden. Wir arbeiten auch weiterhin an einem Prototyp: Seine nächste Version wird auf der IEEE INFOCOM-Konferenz im Juli 2020 vorgestellt.
Schließlich ist eine weitere wichtige Neuerung, aber mit ungewissem Schicksal, koordinierte Arbeit von Zugangspunkten. Obwohl viele Anbieter ihre eigenen zentralisierten Controller für Unternehmens-Wi-Fi-Netzwerke haben, waren die Möglichkeiten solcher Controller in der Regel auf die Konfiguration langfristiger Parameter und die Auswahl des Kanals beschränkt. Der Standardisierungsausschuss diskutiert eine engere Zusammenarbeit zwischen benachbarten Zugangspunkten, die koordiniertes Übertragungsmanagement, Beamforming (gerichtete Signalübertragung) und sogar verteilte MIMO-Systeme umfasst. Einige der diskutierten Ansätze nutzen die sequenzielle Unterdrückung von Störungen (ähnlich wie bei NOMA). Obwohl die Ansätze zur Koordination von 11be noch nicht ausgearbeitet sind, besteht kein Zweifel daran, dass der Standard den Zugangspunkten verschiedener Hersteller ermöglichen wird, Übertragungszeiten zu koordinieren, um gegenseitige Interferenzen zu reduzieren. Was andere, komplexere Ansätze (wie verteiltes MU-MIMO) betrifft, so wird es schwieriger sein, sie im Standard zu implementieren, auch wenn einzelne Mitglieder des Gremiums entschlossen sind, dies im Rahmen von Release 2 zu tun. Unabhängig vom Ergebnis bleibt das Schicksal der Koordinationsmethoden für Zugangspunkte ungewiss. Selbst wenn sie in den Standard aufgenommen werden, könnten sie möglicherweise nicht auf den Markt kommen. Ein ähnliches Szenario trat bereits früher auf, als versucht wurde, die Übertragungen von Wi-Fi durch Lösungen wie HCCA (11e) und HCCA TXOP Negotiation (11be) zu regeln.

Zusammenfassend scheint es, dass die meisten Vorschläge, die mit den ersten fünf Gruppen verbunden sind, Teil von Wi-Fi 7 werden, während die Vorschläge, die mit den letzten beiden Gruppen verbunden sind, erheblichen zusätzlichen Forschungen bedürfen, um ihre Wirksamkeit zu beweisen.