In letzter Zeit sind Geräte auf den Markt gekommen, die die viel diskutierte Wi-Fi 6-Technologie (IEEE 802.11ax) unterstützen. Aber nur wenige wissen, dass die Entwicklung einer neuen Generation der Wi-Fi-Technologie bereits im Gange ist – Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Erfahren Sie in diesem Artikel, wie Wi-Fi 7 aussehen wird.
Vorgeschichte
Im September 2020 feiern wir den 30. Jahrestag des IEEE 802.11-Projekts, das unser Leben maßgeblich beeinflusst hat. Derzeit ist die Wi-Fi-Technologie, definiert durch die IEEE 802.11-Standardfamilie, die beliebteste drahtlose Technologie für die Verbindung mit dem Internet, wobei Wi-Fi mehr als die Hälfte des Benutzerverkehrs überträgt. Während sich die Mobilfunktechnologie jedes Jahrzehnt umbenennt, indem beispielsweise der Name 4G durch 5G ersetzt wird, erfolgen Verbesserungen der Datengeschwindigkeiten sowie die Einführung neuer Dienste und neuer Funktionen für Wi-Fi-Benutzer fast unbemerkt. Nur wenige Kunden interessieren sich für die Buchstaben „n“, „ac“ oder „ax“, die auf Geräteboxen auf „802.11“ folgen. Das heißt aber nicht, dass sich Wi-Fi nicht weiterentwickelt.
Ein Beweis für die Entwicklung von Wi-Fi ist der dramatische Anstieg der Nenndatengeschwindigkeiten: von 2 Mbit/s in der Version von 1997 auf fast 10 Gbit/s im neuesten 802.11ax-Standard, auch bekannt als Wi-Fi 6. Modernes Wi-Fi erreicht solche Geschwindigkeiten Leistungssteigerungen durch schnellere Signal- und Codedesigns, breitere Kanäle und den Einsatz von Technologie .
Zusätzlich zum Mainstream der drahtlosen lokalen Hochgeschwindigkeitsnetzwerke umfasst die Entwicklung von Wi-Fi mehrere Nischenprojekte. Wi-Fi HaLow (802.11ah) war beispielsweise ein Versuch, Wi-Fi in den Markt für das drahtlose Internet der Dinge zu bringen. Millimeterwellen-WLAN (802.11ad/ay) unterstützt nominale Datenraten von bis zu 275 Gbit/s, allerdings über sehr kurze Distanzen.
Neue Anwendungen und Dienste im Zusammenhang mit hochauflösendem Videostreaming, virtueller und erweiterter Realität, Spielen, Remote-Office und Cloud-Computing sowie die Notwendigkeit, eine große Anzahl von Benutzern mit starkem Datenverkehr in drahtlosen Netzwerken zu unterstützen, erfordern eine hohe Leistung.
Wi-Fi 7-Ziele
Im Mai 2019 begann die BE (TGbe)-Untergruppe der 802.11-Arbeitsgruppe des Local and Metropolitan Area Network Standards Committee mit der Arbeit an einer neuen Ergänzung des Wi-Fi-Standards, die sich erhöhen wird Nenndurchsatz bis über 40 Gbit/s in einem Frequenzkanal des „typischen“ WLAN-Bereichs <= 7 GHz. Obwohl in vielen Dokumenten ein „maximaler Durchsatz von mindestens 30 Gbit/s“ aufgeführt ist, wird das neue Protokoll der physikalischen Schicht Nenngeschwindigkeiten von über 40 Gbit/s ermöglichen.
Eine weitere wichtige Entwicklungsrichtung für Wi-Fi 7 ist Unterstützung für Echtzeitanwendungen (Spiele, virtuelle und erweiterte Realität, Robotersteuerung). Es ist bemerkenswert, dass Wi-Fi zwar den Audio- und Videoverkehr auf besondere Weise verarbeitet, man jedoch seit langem davon ausgeht, dass die Bereitstellung einer garantiert niedrigen Latenz (Millisekunden) auf Standardniveau, auch bekannt als Time-Sensitive Networking, in Wi-Fi-Netzwerken von grundlegender Bedeutung ist unmöglich. Im November 2017 hat unser Team vom IITP RAS und der National Research University Higher School of Economics (verstehen Sie es nicht als PR) einen entsprechenden Vorschlag in der IEEE 802.11-Gruppe gemacht. Der Vorschlag stieß auf großes Interesse und im Juli 2018 wurde eine spezielle Untergruppe ins Leben gerufen, um das Thema weiter zu untersuchen. Da die Unterstützung von Echtzeitanwendungen sowohl hohe Nenndatenraten als auch eine verbesserte Link-Layer-Funktionalität erfordert, hat die 802.11-Arbeitsgruppe beschlossen, Methoden zur Unterstützung von Echtzeitanwendungen innerhalb von Wi-Fi 7 zu entwickeln.
Ein wichtiges Problem bei Wi-Fi 7 ist seine Koexistenz mit Mobilfunknetztechnologien (4G/5G), die von 3GPP entwickelt werden und in denselben nicht lizenzierten Frequenzbändern arbeiten. Die Rede ist von LTE-LAA/NR-U. Um die Probleme im Zusammenhang mit 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 Workshops von 3GPP- und IEEE 802.11-Teilnehmern im Juli 2019 in Wien sind technische Lösungen noch nicht verabschiedet. Eine mögliche Erklärung für diese Sinnlosigkeit ist, dass sowohl IEEE 802 als auch 3GPP zögern, ihre eigenen Technologien zu ändern, um sie an die anderen anzupassen. Auf diese Weise, Es ist derzeit unklar, ob die Coex SC-Diskussionen Auswirkungen auf den Wi-Fi 7-Standard haben werden.
Entwicklungsprozess
Obwohl sich der Wi-Fi 7-Entwicklungsprozess noch in einem sehr frühen Stadium befindet, gab es bisher fast 500 Vorschläge für neue Funktionen für das kommende Wi-Fi 7, auch bekannt als IEEE 802.11be. Die meisten Ideen werden gerade in der be-Untergruppe diskutiert und es wurde noch keine Entscheidung darüber getroffen. Weitere Ideen wurden kürzlich genehmigt. Nachfolgend wird deutlich dargestellt, welche Vorschläge angenommen werden und welche nur diskutiert werden.
Ursprünglich war geplant, die Entwicklung der wichtigsten neuen Mechanismen bis März 2021 abzuschließen. Die endgültige Version des Standards wird für Anfang 2024 erwartet. Im Januar 2020 äußerte 11be Bedenken, ob die Entwicklung beim aktuellen Arbeitstempo im Zeitplan bleiben würde. Um den Standardentwicklungsprozess zu beschleunigen, einigte sich die Untergruppe darauf, einen kleinen Satz von Funktionen mit hoher Priorität auszuwählen, die bis 2021 veröffentlicht werden könnten (Release 1), und den Rest bei Release 2 zu belassen. Funktionen mit hoher Priorität sollten für die wichtigsten Leistungssteigerungen sorgen und umfassen Unterstützung für 320 MHz, 4K-QAM, offensichtliche Verbesserungen von OFDMA von Wi-Fi 6, MU-MIMO mit 16 Streams.
Aufgrund des Coronavirus trifft sich die Gruppe derzeit nicht persönlich, sondern führt regelmäßig Telefonkonferenzen durch. Dadurch verlangsamte sich die Entwicklung etwas, stoppte sie aber nicht.
Technologiedetails
Schauen wir uns die wichtigsten Neuerungen von Wi-Fi 7 an.
- Das neue Protokoll der physikalischen Schicht ist eine Weiterentwicklung des Wi-Fi 6-Protokolls mit einer Verdoppelung Bandbreite bis zu 320 MHz, doppelte Anzahl räumlicher MU-MIMO-Streams, was den Nenndurchsatz um das 2×2 = 4-fache erhöht. Auch Wi-Fi 7 beginnt mit der Modulation 4K-QAM, was den Nenndurchsatz um weitere 20 % erhöht. Daher bietet Wi-Fi 7 das 2x2x1,2 = 4,8-fache der Nenndatenrate von Wi-Fi 6: Der maximale Nenndurchsatz von Wi-Fi 7 beträgt 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Darüber hinaus wird es eine revolutionäre Änderung im Protokoll der physikalischen Schicht geben, um die Kompatibilität mit zukünftigen WLAN-Versionen sicherzustellen, die für Benutzer jedoch unsichtbar bleibt.
- Ändern der Kanalzugriffsmethode für Echtzeit-Anwendungsunterstützung wird unter Berücksichtigung der Erfahrungen mit IEEE 802 TSN für kabelgebundene Netzwerke durchgeführt. Die laufenden Diskussionen im Normenausschuss beziehen sich auf das Random-Backoff-Verfahren für den Kanalzugriff, Verkehrsdienstkategorien und damit separate Warteschlangen für Echtzeitverkehr sowie Paketdienstrichtlinien.
- Eingeführt in Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – Zeit- und Frequenzmultiplex-Kanalzugriffsverfahren (ähnlich dem, das in 4G- und 5G-Netzen verwendet wird) – bietet neue Möglichkeiten für eine optimale Ressourcenallokation. Allerdings ist OFDMA in 11ax nicht flexibel genug. Erstens ermöglicht es dem Access Point, dem Client-Gerät nur einen Ressourcenblock einer vorgegebenen Größe zuzuweisen. Zweitens unterstützt es keine direkte Übertragung zwischen Client-Stationen. Beide Nachteile verringern die spektrale Effizienz. Darüber hinaus beeinträchtigt die mangelnde Flexibilität des alten Wi-Fi 6 OFDMA die Leistung in dichten Netzwerken und erhöht die Latenz, was für Echtzeitanwendungen von entscheidender Bedeutung ist. 11be wird diese OFDMA-Probleme lösen.
- Eine der bestätigten revolutionären Änderungen von Wi-Fi 7 ist die native Unterstützung gleichzeitige Nutzung mehrerer paralleler Verbindungen mit unterschiedlichen Frequenzen, was sowohl für große Datenraten als auch für extrem niedrige Latenzzeiten sehr nützlich ist. Obwohl moderne Chipsätze bereits mehrere Verbindungen gleichzeitig nutzen können, beispielsweise im 2.4- und 5-GHz-Band, sind diese Verbindungen unabhängig, was die Effektivität eines solchen Vorgangs einschränkt. In 11be wird ein Grad der Synchronisierung zwischen Kanälen gefunden, der eine effiziente Nutzung der Kanalressourcen ermöglicht und erhebliche Änderungen in den Regeln des Kanalzugriffsprotokolls mit sich bringt.
- Die Verwendung sehr breiter Kanäle und einer großen Anzahl räumlicher Streams führt zu dem Problem eines hohen Overheads, der mit dem für MIMO und OFDMA erforderlichen Verfahren zur Kanalzustandsschätzung verbunden ist. Dieser Overhead macht alle Gewinne aus steigenden nominalen Datenraten zunichte. Das habe ich erwartet Das Verfahren zur Kanalzustandsbewertung wird überarbeitet.
- Im Rahmen von Wi-Fi 7 diskutiert der Normenausschuss den Einsatz einiger „fortgeschrittener“ Datenübertragungsmethoden. Theoretisch verbessern diese Methoden die spektrale Effizienz bei wiederholten Sendeversuchen sowie bei gleichzeitigen Übertragungen in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung. Dazu gehören Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ), das derzeit in Mobilfunknetzen verwendet wird, der Vollduplex-Modus und Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Diese Techniken wurden in der Literatur theoretisch ausführlich untersucht, es ist jedoch noch nicht klar, ob die Produktivitätssteigerungen, die sie bieten, den Aufwand für ihre Implementierung wert sind.
- Verwenden HARQ durch folgendes Problem erschwert. Bei WLAN werden Pakete zusammengeklebt, um den Overhead zu reduzieren. In aktuellen Wi-Fi-Versionen wird die Zustellung jedes Pakets innerhalb des geklebten Pakets bestätigt, und wenn keine Bestätigung erfolgt, wird die Übertragung des Pakets mithilfe von Kanalzugriffsprotokollmethoden wiederholt. HARQ verschiebt Wiederholungsversuche von der Datenverbindung auf die physikalische Schicht, wo es keine Pakete mehr, sondern nur noch Codewörter gibt und die Grenzen der Codewörter nicht mit den Grenzen der Pakete übereinstimmen. Diese Desynchronisierung erschwert die Implementierung von HARQ in Wi-Fi.
- Hinsichtlich Vollduplex-, dann ist es derzeit weder in Mobilfunknetzen noch in WLAN-Netzen möglich, gleichzeitig Daten im gleichen Frequenzkanal zum und vom Access Point (Basisstation) zu übertragen. Aus technischer Sicht ist dies auf den großen Unterschied in der Leistung des gesendeten und empfangenen Signals zurückzuführen. Obwohl es Prototypen gibt, die die digitale und analoge Subtraktion des gesendeten Signals vom empfangenen Signal kombinieren und in der Lage sind, ein Wi-Fi-Signal während der Übertragung zu empfangen, kann der Gewinn, den sie in der Praxis bieten können, aufgrund der Tatsache, dass dies zu einem bestimmten Zeitpunkt der Fall ist, vernachlässigbar sein der stromabwärts ist nicht gleich dem aufsteigenden (im Durchschnitt „im Krankenhaus“ ist der absteigende deutlich größer). Darüber hinaus wird eine solche bidirektionale Übertragung das Protokoll erheblich verkomplizieren.
- Während die Übertragung mehrerer Streams mithilfe von MIMO mehrere Antennen für Sender und Empfänger erfordert, kann der Access Point bei nicht orthogonalem Zugriff gleichzeitig Daten von einer einzigen Antenne an zwei Empfänger übertragen. In den neuesten 5G-Spezifikationen sind verschiedene nicht-orthogonale Zugriffsmöglichkeiten enthalten. Prototyp NOMA Wi-Fi wurde erstmals 2018 am IITP RAS entwickelt (auch hier gilt: Betrachten Sie es nicht als PR). Es zeigte sich eine Leistungssteigerung von 30-40 %. Der Vorteil der entwickelten Technologie ist ihre Abwärtskompatibilität: Einer der beiden Empfänger kann ein veraltetes Gerät sein, das Wi-Fi 7 nicht unterstützt. Generell ist das Problem der Abwärtskompatibilität sehr wichtig, da Geräte verschiedener Generationen gleichzeitig betrieben werden können in einem Wi-Fi-Netzwerk. Derzeit analysieren mehrere Teams auf der ganzen Welt die Wirksamkeit des kombinierten Einsatzes von NOMA und MU-MIMO, deren Ergebnisse über das zukünftige Schicksal des Ansatzes entscheiden werden. Auch am Prototypen arbeiten wir weiter: Die nächste Version wird auf der IEEE INFOCOM-Konferenz im Juli 2020 vorgestellt.
- Schließlich gibt es noch eine weitere wichtige Neuerung, deren Schicksal jedoch unklar ist koordinierter Betrieb von Access Points. Obwohl viele Anbieter ihre eigenen zentralisierten Controller für Wi-Fi-Unternehmensnetzwerke haben, beschränkten sich die Fähigkeiten solcher Controller im Allgemeinen auf die langfristige Parameterkonfiguration und Kanalauswahl. Der Normenausschuss diskutiert eine engere Zusammenarbeit zwischen benachbarten Zugangspunkten, einschließlich koordinierter Übertragungsplanung, Strahlformung und sogar verteilter MIMO-Systeme. Einige der betrachteten Ansätze verwenden eine sequentielle Interferenzunterdrückung (ungefähr dasselbe wie bei NOMA). Obwohl noch keine Ansätze zur 11be-Koordinierung entwickelt wurden, besteht kein Zweifel daran, dass der Standard es Access Points verschiedener Hersteller ermöglichen wird, Übertragungspläne miteinander zu koordinieren, um gegenseitige Störungen zu reduzieren. Andere, komplexere Ansätze (z. B. verteiltes MU-MIMO) werden schwieriger in den Standard zu implementieren sein, obwohl einige Mitglieder der Gruppe entschlossen sind, dies innerhalb von Release 2 zu tun. Unabhängig vom Ergebnis bleibt das Schicksal der Methoden zur Koordinierung von Zugangspunkten ist unklar. Selbst wenn sie in den Standard aufgenommen werden, gelangen sie möglicherweise nicht auf den Markt. Ähnliches ist bereits geschehen, als versucht wurde, mithilfe von Lösungen wie HCCA (11e) und HCCA TXOP Negotiation (11be) Ordnung in die WLAN-Übertragung zu bringen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die meisten Vorschläge der ersten fünf Gruppen Teil von Wi-Fi 7 werden, während die Vorschläge der letzten beiden Gruppen erhebliche zusätzliche Untersuchungen erfordern, um ihre Wirksamkeit nachzuweisen.
Weitere technische Details
Technische Details zu Wi-Fi 7 können nachgelesen werden (auf Englisch)
Source: habr.com