Bei seinen Entwicklungen setzt Huawei auf Wi-Fi 6. Und Fragen von Kollegen und Kunden zur neuen Generation des Standards veranlassten uns, einen Beitrag über die darin verankerten theoretischen Grundlagen und physikalischen Prinzipien zu schreiben. Gehen wir von der Geschichte zur Physik über und schauen wir uns im Detail an, warum OFDMA- und MU-MIMO-Technologien benötigt werden. Lassen Sie uns auch darüber sprechen, wie ein grundlegend neu gestaltetes physisches Datenübertragungsmedium es ermöglichte, eine garantierte Kanalkapazität zu erreichen und das Gesamtniveau der Verzögerungen so zu reduzieren, dass sie mit denen eines Betreibers vergleichbar wurden. Und das, obwohl moderne 5G-basierte Netzwerke teurer sind (im Durchschnitt 20–30 Mal) als Wi-Fi 6-Netzwerke für den Innenbereich mit ähnlichen Funktionen.
Für Huawei ist das Thema keineswegs untätig: Lösungen, die Wi-Fi 6 unterstützen, gehören zu unseren bahnbrechendsten Produkten im Jahr 2020, in die enorme Ressourcen investiert wurden. Hier nur ein Beispiel: Forschungen auf dem Gebiet der Materialwissenschaften ermöglichten es uns, eine Legierung auszuwählen, deren Verwendung in Funkelementen eines Zugangspunkts das Signal-Rausch-Verhältnis um 2-3 dB erhöhte: Hut ab vor Doron Ezri diese Leistung.
Ein wenig Geschichte
Es macht Sinn, die Geschichte von Wi-Fi bis ins Jahr 1971 zurück zu zählen, als Professor Norman Abramson und eine Gruppe von Kollegen an der Universität von Hawaii das drahtlose Paketdatennetzwerk ALOHAnet entwickelten, bauten und starteten.
1980 wurde eine Gruppe von Standards und Protokollen IEEE 802 genehmigt, die die Organisation der beiden unteren Schichten des siebenschichtigen OSI-Netzwerkmodells beschreiben. Wir mussten 802.11 lange Jahre auf die Veröffentlichung der ersten Version von 17 warten.
Mit der Einführung des 1997-Standards im Jahr 802.11, zwei Jahre vor der Geburt der Wi-Fi Alliance, gelangte die erste Generation der heute beliebtesten drahtlosen Datentechnologie auf die weite Welt.
IEEE 802-Standard. Wi-Fi-Generationen
Der erste Standard, der von Geräteherstellern wirklich umfassend unterstützt wurde, war 802.11b. Wie Sie sehen, ist die Häufigkeit von Innovationen seit dem Ende des XNUMX. Jahrhunderts recht stabil: Qualitative Veränderungen brauchen Zeit. In den letzten Jahren wurde viel daran gearbeitet, das physikalische Signalübertragungsmedium zu verbessern. Um die modernen Probleme von Wi-Fi besser zu verstehen, wenden wir uns seinen physikalischen Grundlagen zu.
Erinnern wir uns an die Grundlagen!
Radiowellen sind ein Sonderfall elektromagnetischer Wellen, die sich von einer Quelle elektrischer und magnetischer Feldstörungen ausbreiten. Sie werden durch drei Hauptparameter charakterisiert: den Wellenvektor sowie die elektrischen und magnetischen Feldstärkevektoren. Alle drei stehen senkrecht aufeinander. In diesem Fall wird die Frequenz einer Welle üblicherweise als Anzahl der sich wiederholenden Schwingungen bezeichnet, die in eine Zeiteinheit passen.
All dies sind bekannte Tatsachen. Um jedoch das Ende zu erreichen, müssen wir von vorne beginnen.
Auf der herkömmlichen Skala der Frequenzbereiche elektromagnetischer Strahlung nimmt der Funkbereich den untersten (niederfrequenten) Teil ein. Es umfasst elektromagnetische Wellen mit einer Schwingungsfrequenz von 3 Hz bis 3000 GHz. Alle anderen Bänder, einschließlich des sichtbaren Lichts, haben eine viel höhere Frequenz.
Je höher die Frequenz, desto mehr Energie kann der Funkwelle zugeführt werden, aber gleichzeitig umgeht sie Hindernisse weniger gut und wird schneller gedämpft. Das Gegenteil ist auch der Fall. Unter Berücksichtigung dieser Merkmale wurden zwei Hauptfrequenzbereiche für den WLAN-Betrieb ausgewählt – 2,4 GHz (Frequenzband von 2,4000 bis 2,4835 GHz) und 5 GHz (Frequenzbänder 5,170–5,330, 5,490–5,730 und 5,735–5,835 GHz).
Funkwellen breiten sich in alle Richtungen aus und um zu verhindern, dass sich Nachrichten aufgrund des Interferenzeffekts gegenseitig beeinflussen, wird das Frequenzband normalerweise in separate schmale Abschnitte unterteilt – Kanäle mit dem einen oder anderen . Das obige Diagramm zeigt, dass sich die benachbarten Kanäle 1 und 2 mit einer Bandbreite von 20 MHz gegenseitig stören, 1 und 6 jedoch nicht.
Das Signal innerhalb des Kanals wird mithilfe einer Funkwelle mit einer bestimmten Trägerfrequenz übertragen. Zur Übertragung von Informationen können Wellenparameter verwendet werden nach Frequenz, Amplitude oder Phase.
Kanaltrennung in WLAN-Frequenzbereichen
Der 2,4-GHz-Frequenzbereich ist in 14 teilweise überlappende Kanäle mit einer optimalen Breite von 20 MHz unterteilt. Früher glaubte man, dass dies völlig ausreiche, um ein komplexes drahtloses Netzwerk zu organisieren. Da sich schnell herausstellte, dass die Kapazität des Bereichs schnell erschöpft war, wurde dieser um den 5-GHz-Bereich erweitert, dessen spektrale Kapazität deutlich höher ist. Darin ist es möglich, neben 20-MHz-Kanälen auch Kanäle mit einer Breite von 40 und 80 MHz zuzuweisen.
Um die Effizienz der Nutzung des Hochfrequenzspektrums weiter zu verbessern, wird mittlerweile häufig die orthogonale Frequenzmultiplextechnologie eingesetzt ().
Dabei werden neben der Trägerfrequenz auch mehrere Unterträgerfrequenzen im selben Kanal genutzt, was eine parallele Datenübertragung ermöglicht. Mit OFDM können Sie den Datenverkehr auf recht bequeme „granulare“ Weise verteilen, weist jedoch aufgrund seines ehrwürdigen Alters eine Reihe erheblicher Nachteile auf. Dazu gehören die Prinzipien der Arbeit mit dem Netzwerkprotokoll CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Vermeidung), nach dem zu bestimmten Zeiten nur ein Benutzer auf einem Träger und Unterträger arbeiten kann.
Räumliche Strömungen
Eine wichtige Möglichkeit, den Durchsatz drahtloser Netzwerke zu erhöhen, ist die Verwendung räumlicher Streams.
Der Access Point trägt mehrere Funkmodule (eins, zwei oder mehr), die mit einer bestimmten Anzahl von Antennen verbunden sind. Diese Antennen strahlen nach einem bestimmten Muster und einer bestimmten Modulation aus, und Sie und ich empfangen Informationen, die über ein drahtloses Medium übertragen werden. Der räumliche Strom kann zwischen einer bestimmten physikalischen Antenne (Funkmodul) des Access Points und dem Benutzergerät gebildet werden. Dadurch erhöht sich die Gesamtmenge der vom Access Point übertragenen Informationen um ein Vielfaches der Anzahl der Streams (Antennen).
Nach aktuellen Standards können im 2,4-GHz-Band bis zu vier Spatial Streams implementiert werden, im 5-GHz-Band bis zu acht.
Bisher haben wir uns bei der Arbeit im 2,4- und 5-GHz-Band nur auf die Anzahl der Funkmodule konzentriert. Das Vorhandensein eines zweiten Funkmoduls sorgte für zusätzliche Flexibilität, da alte Teilnehmergeräte auf einer Frequenz von 2,4 GHz und neue auf einer Frequenz von 5 GHz betrieben werden konnten. Mit dem Aufkommen des dritten und weiterer Funkmodule traten einige Probleme auf. Strahlungselemente neigen dazu, sich gegenseitig zu stören, was die Kosten des Geräts aufgrund der Notwendigkeit eines besseren Designs und der Ausstattung des Access Points mit Kompensationsfiltern erhöht. So ist es erst seit Kurzem möglich, gleichzeitig 16 Spatial Streams pro Access Point zu unterstützen.
Praktische und theoretische Geschwindigkeit
Aufgrund der OFDM-Betriebsmechanismen konnten wir keinen maximalen Netzwerkdurchsatz erreichen. Theoretische Berechnungen für die praktische Umsetzung von OFDM wurden vor langer Zeit und nur in Bezug auf ideale Umgebungen durchgeführt, in denen vorhersehbar ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine hohe Bitfehlerrate (BER) zu erwarten waren. Unter modernen Bedingungen mit starkem Rauschen in allen für uns interessanten Funkfrequenzspektren ist der Durchsatz OFDM-basierter Netzwerke bedrückend niedrig. Und diese Mängel wies das Protokoll bis vor Kurzem auf, bis die OFDMA-Technologie (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Abhilfe schaffte. Über sie - etwas weiter.
Reden wir über Antennen
Wie Sie wissen, hat jede Antenne einen Gewinn, abhängig von dessen Wert ein räumliches Signalausbreitungsmuster (Beamforming) mit einem bestimmten Abdeckungsbereich gebildet wird (Signalrückreflexion usw. berücksichtigen wir nicht). Genau darauf haben Designer schon immer ihre Überlegungen gestützt, wo genau Access Points platziert werden sollten. Die Form des Musters blieb lange Zeit unverändert und nahm nur proportional zu den Eigenschaften der Antenne zu oder ab.
Moderne Antennenelemente werden immer besser steuerbar und ermöglichen dynamische Änderungen im räumlichen Muster der Signalausbreitung in Echtzeit.
Die linke Abbildung oben zeigt das Prinzip der Funkwellenausbreitung mithilfe einer Standard-Rundstrahlantenne. Durch die Erhöhung der Signalleistung konnten wir nur den Abdeckungsradius ändern, ohne die Qualität der Kanalnutzung – KQI (Key Quality Indicators) – wesentlich beeinflussen zu können. Und dieser Indikator ist äußerst wichtig, wenn die Kommunikation unter Bedingungen häufiger Bewegung des Teilnehmergeräts in einer drahtlosen Umgebung organisiert wird.
Die Lösung des Problems bestand in der Verwendung einer großen Anzahl kleiner Antennen, deren Belastung in Echtzeit angepasst werden kann und die Ausbreitungsmuster abhängig von der räumlichen Position des Benutzers bilden.
Dadurch konnte man dem Einsatz der MU-MIMO-Technologie (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) nahe kommen. Mit seiner Hilfe erzeugt der Access Point jederzeit Strahlungsströme, die gezielt auf Teilnehmergeräte gerichtet sind.
Von der Physik bis zum 802.11-Standard
Mit der Weiterentwicklung der Wi-Fi-Standards änderten sich auch die Prinzipien der Arbeit mit der physischen Schicht des Netzwerks. Durch den Einsatz anderer Modulationsmechanismen ist es – beginnend mit Versionen von 802.11g/n – möglich geworden, eine viel größere Menge an Informationen in einen Zeitschlitz zu packen und dementsprechend mit einer größeren Anzahl von Benutzern zu arbeiten. Dies wurde unter anderem durch den Einsatz räumlicher Flüsse erreicht. Und die neu gewonnene Flexibilität bei der Kanalbreite hat es ermöglicht, mehr Ressourcen für MIMO zu generieren.
Die Verabschiedung des Standards Wi-Fi 7 ist für nächstes Jahr geplant. Was wird sich mit seiner Einführung ändern? Neben der üblichen Geschwindigkeitssteigerung und der Erweiterung um das 6-GHz-Band wird es möglich sein, mit breiten aggregierten Kanälen, beispielsweise 320 MHz, zu arbeiten. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit industriellen Anwendungen interessant.
Theoretischer Wi-Fi 6-Durchsatz
Die theoretische Formel zur Berechnung der Nenngeschwindigkeit von Wi-Fi 6 ist recht komplex und hängt von vielen Parametern ab, angefangen bei der Anzahl der räumlichen Streams bis hin zu den Informationen, die wir in einen Unterträger (oder Unterträger, wenn es mehrere davon gibt) eingeben können sie) pro Zeiteinheit.
Wie Sie sehen, hängt viel von räumlichen Flüssen ab. Zuvor verschlechterte jedoch eine Erhöhung ihrer Anzahl in Kombination mit der Verwendung von STC (Space-Time Coding) und MRC (Maximum Ratio Combining) die Leistung der gesamten drahtlosen Lösung.
Neue Schlüsseltechnologien für die physikalische Schicht
Kommen wir zu den Schlüsseltechnologien der physikalischen Schicht – und beginnen mit der ersten Schicht des OSI-Netzwerkmodells.
Erinnern wir uns daran, dass OFDM eine bestimmte Anzahl von Unterträgern verwendet, die, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, in der Lage sind, eine bestimmte Menge an Informationen zu übertragen.
Im Beispiel verwenden wir das 5,220-GHz-Band, das 48 Unterkanäle enthält. Durch die Aggregation dieses Kanals erhalten wir eine größere Anzahl von Unterträgern, von denen jeder sein eigenes Modulationsschema verwendet.
Wi-Fi 5 verwendet die Quadratur-Amplitudenmodulation 256 QAM (Quadratur-Amplituden-Modulation), mit der Sie in einem Zeitschlitz ein Feld aus 16 x 16 Punkten innerhalb der Trägerfrequenz bilden können, die sich in Amplitude und Phase unterscheiden. Der Nachteil besteht darin, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine Station auf der Trägerfrequenz senden kann.
Orthogonales Frequenzmultiplex (OFDMA) stammt aus der Welt der Mobilfunkbetreiber, verbreitete sich zeitgleich mit LTE und dient der Organisation eines Downlinks (Kommunikationskanal zum Teilnehmer). Es ermöglicht Ihnen, mit dem Kanal auf der Ebene sogenannter Ressourceneinheiten zu arbeiten. Diese Einheiten helfen dabei, einen Block in eine bestimmte Anzahl von Komponenten zu zerlegen. Innerhalb eines Blocks können wir zu jedem Zeitpunkt nicht ausschließlich mit einem emittierenden Element (Benutzer oder Zugangspunkt) arbeiten, sondern Dutzende von Elementen kombinieren. Dadurch können Sie bemerkenswerte Ergebnisse erzielen.
Einfache Verbindung von Kanälen in Wi-Fi 6
Durch Channel Bonding in Wi-Fi 6 erhalten Sie kombinierte Kanäle mit einer Breite von 20 bis 160 MHz. Darüber hinaus muss die Verbindung nicht in nahegelegenen Bereichen erfolgen. Beispielsweise kann ein Block aus dem 5,17-GHz-Band und der zweite aus dem 5,135-GHz-Band entnommen werden. Dadurch können Sie auch bei starken Störfaktoren oder in der Nähe anderer ständig emittierender Sender flexibel eine Funkumgebung aufbauen.
Von SIMO zu MIMO
Die MIMO-Methode war nicht immer bei uns. Früher musste die mobile Kommunikation auf den SIMO-Modus beschränkt werden, was das Vorhandensein mehrerer Antennen an der Teilnehmerstation voraussetzte, die gleichzeitig für den Empfang von Informationen arbeiteten.
MU-MIMO ist darauf ausgelegt, Informationen über den gesamten aktuellen Antennenbestand an Benutzer zu übertragen. Dadurch werden die zuvor durch das CSMA/CA-Protokoll auferlegten Einschränkungen im Zusammenhang mit dem Senden von Token an Teilnehmergeräte zur Übertragung aufgehoben. Jetzt sind Benutzer in einer Gruppe vereint und jedes Gruppenmitglied erhält seinen Anteil an der Antennenressource des Access Points, anstatt darauf zu warten, bis er an der Reihe ist.
Bildung von Funkstrahlen
Eine wichtige Regel für den Betrieb von MU-MIMO besteht darin, einen Betriebsmodus des Antennenarrays beizubehalten, der nicht zu gegenseitiger Überlappung von Funkwellen und Informationsverlust aufgrund von Phasenaddition führt.
Dies erfordert komplexe mathematische Berechnungen auf der Access-Point-Seite. Wenn das Terminal diese Funktion unterstützt, ermöglicht MU-MIMO ihm, dem Access Point mitzuteilen, wie lange es dauert, ein Signal an jeder spezifischen Antenne zu empfangen. Und der Access Point wiederum richtet seine Antennen so aus, dass ein optimal gerichteter Strahl entsteht.
Was bringt uns das im Allgemeinen?
Weiße Kreise mit Zahlen in der Tabelle zeigen aktuelle Szenarien für die WLAN-Nutzung früherer Generationen an. Die blauen Kreise (siehe Abbildung oben) beschreiben die Fähigkeiten von Wi-Fi 6, die grauen sind eine Frage der nahen Zukunft.
Die Hauptvorteile, die neue OFDMA-fähige Lösungen mit sich bringen, hängen mit Ressourceneinheiten zusammen, die auf einer ähnlichen Ebene wie TDM (Time Division Multiplexing) implementiert sind. Dies war bei Wi-Fi noch nie der Fall. Dadurch können Sie die zugewiesene Bandbreite klar steuern und so eine minimale Signallaufzeit durch das Medium und das erforderliche Maß an Zuverlässigkeit gewährleisten. Glücklicherweise zweifelt niemand daran, dass die WLAN-Zuverlässigkeitsindikatoren verbessert werden müssen.
Die Geschichte verläuft spiralförmig und die aktuelle Situation ähnelt der, die sich einst rund um Ethernet entwickelte. Schon damals herrschte die Meinung vor, dass das Übertragungsmedium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) keinen garantierten Durchsatz bietet. Und das blieb bis zur Umstellung auf IEEE 802.3z so.
Was die allgemeinen Anwendungsmodelle betrifft, so vervielfachen sich, wie Sie sehen, mit jeder Wi-Fi-Generation die Nutzungsszenarien, die im Allgemeinen immer empfindlicher auf Verzögerungen reagieren und Zuverlässigkeit.
Und noch einmal über die physische Umgebung
Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie die neue physische Umgebung entsteht. Bei der Verwendung von CSMA/CA und OFDM führte eine Erhöhung der Anzahl aktiver STAs zu einem erheblichen Rückgang des Durchsatzes des 20-MHz-Kanals. Dies lag an dem, was bereits erwähnt wurde: nicht an den neuesten Technologien STC (Space-Time Coding) und MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kann durch den Einsatz von Ressourceneinheiten effektiv mit Fern- und Schwachstromkraftwerken interagieren. Wir erhalten die Möglichkeit, im gleichen Carrier-Bereich zu arbeiten, wobei Benutzer unterschiedlich viel Ressourcen verbrauchen. Ein Benutzer kann eine Einheit belegen, ein anderer alle anderen.
Warum gab es OFDMA nicht schon früher?
Und schließlich die Hauptfrage: Warum gab es vorher kein OFDMA? Seltsamerweise kam es auf das Geld an.
Lange Zeit glaubte man, dass der Preis eines WLAN-Moduls minimal sein sollte. Als das Protokoll 1997 kommerziell in Betrieb genommen wurde, wurde entschieden, dass die Produktionskosten eines solchen Moduls 1 US-Dollar nicht überschreiten dürfen. Dadurch verlief die Technologieentwicklung suboptimal. Hier berücksichtigen wir nicht den Betreiber LTE, bei dem OFDMA schon seit geraumer Zeit eingesetzt wird.
Letztendlich beschloss die Wi-Fi-Arbeitsgruppe, diese Entwicklungen aus der Welt der Telekommunikationsbetreiber zu übernehmen und sie in die Welt der Unternehmensnetzwerke zu übertragen. Die Hauptaufgabe bestand in der Umstellung auf den Einsatz höherwertiger Elemente wie Filter und Oszillatoren.
Warum war es für uns so schwierig, mit oder ohne Interferenz in den alten MRC-Kodierungen zu arbeiten? Denn der MVDR-Beamforming-Mechanismus (Minimum Variance Distortionless Response) erhöhte die Fehleranzahl drastisch, sobald wir versuchten, eine große Anzahl von Sendepunkten zu kombinieren. OFDMA hat bewiesen, dass das Problem gelöst werden kann.
Der Kampf gegen Störungen basiert heute auf Mathematik. Wenn das Übertragungsfenster lang genug ist, verursachen die resultierenden dynamischen Störungen Probleme. Neue Betriebsalgorithmen ermöglichen es, sie zu vermeiden und den Einfluss nicht nur der mit der Wi-Fi-Übertragung verbundenen Störungen, sondern auch aller anderen, die in diesem Bereich auftreten, zu eliminieren.
Dank adaptiver Entstörung können wir selbst in komplexen heterogenen Umgebungen Gewinne von bis zu 11 dB erzielen. Der Einsatz der Huawei-eigenen Algorithmenlösungen ermöglichte eine ernsthafte Optimierung genau dort, wo sie benötigt wurde – bei Indoor-Lösungen. Was in 5G gut ist, ist nicht unbedingt gut in einer Wi-Fi 6-Umgebung. Massive MIMO- und MU-MIMO-Ansätze unterscheiden sich bei Indoor- und Outdoor-Lösungen. Bei Bedarf bietet sich der Einsatz teurer Lösungen an, wie etwa bei 5G. Es sind jedoch andere Optionen erforderlich, beispielsweise Wi-Fi 6, das die Latenz und andere Kennzahlen liefern kann, die wir von Netzbetreibern erwarten.
Wir leihen uns von ihnen die Tools, die für uns als Unternehmenskunden nützlich sein werden, um eine physische Umgebung bereitzustellen, auf die wir uns verlassen können.
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Source: habr.com