Tiefgehende Auseinandersetzung mit den Arbeitsprinzipien von Wi-Fi 6: OFDMA und MU-MIMO

In seinen Entwicklungen setzt Huawei auf Wi-Fi 6. Fragen von Kollegen und Kunden zum neuen Standardgeneration haben uns dazu angeregt, einen Beitrag über die theoretischen Grundlagen und physikalischen Prinzipien zu schreiben, die darin verankert sind. Vom Zusammenhang gehen wir zu den physikalischen Aspekten über und klären detailliert, warum die Technologien OFDMA und MU-MIMO notwendig sind. Wir werden auch darüber sprechen, wie die grundlegend überarbeitete physikalische Datenübertragungsumgebung eine garantierte Bandbreite der Kanäle und eine derart reduzierte Gesamtverzögerung ermöglicht hat, dass diese mit „Betreiberverzögerungen“ vergleichbar geworden sind. Dies, obwohl moderne Netzwerke basierend auf 5G im Durchschnitt 20–30 Mal teurer sind als vergleichbare Indoor-Netzwerke auf Wi-Fi 6.

Für Huawei ist das Thema keineswegs trivial: Lösungen mit Unterstützung für Wi-Fi 6 gehören zu unseren bahnbrechendsten Produkten im Jahr 2020, in die enorme Ressourcen investiert wurden. Hier ist nur ein Beispiel: Forschungen im Bereich Materialwissenschaften haben es uns ermöglicht, eine Legierung auszuwählen, deren Einsatz in den Funkkomponenten der Zugangspunkte das Verhältnis „Signal – Rauschen“ um 2–3 dB verbessert hat: Wir verneigen uns in Ehrfurcht vor Doron Ezri für diese Errungenschaft.

Ein wenig Geschichte

Die Geschichte von Wi-Fi lässt sich sinnvoll seit 1971 zurückverfolgen, als Professor Norman Abramson an der Universität Hawaii mit einer Gruppe von Kollegen ein drahtloses Netzwerk für die paketvermittelte Datenübertragung, ALOHAnet, entwickelte, baute und in Betrieb nahm.

Im Jahr 1980 wurde eine Gruppe von Standards und Protokollen, IEEE 802, genehmigt, die die Organisation der beiden unteren Schichten des sieben-schichtigen OSI-Netzwerkmodells beschreiben. Es vergingen weitere 17 Jahre bis zur Veröffentlichung der ersten Version 802.11.

Mit der Annahme des Standards 802.11 im Jahr 1997, zwei Jahre vor der Gründung der Wi-Fi Alliance, trat die erste Generation der heute beliebtesten Technologie der drahtlosen Datenübertragung in die große Welt ein.

Standard IEEE 802. Generationen von Wi-Fi

Der erste Standard, der von Geräteherstellern massenhaft unterstützt wurde, war 802.11b. Wie Sie sehen können, war die Frequenz der Innovationen seit Ende des 20. Jahrhunderts relativ stabil: Für qualitative Änderungen ist Zeit erforderlich. In den letzten Jahren wurde hauptsächlich an der Verbesserung der physikalischen Datenübertragungsumgebung gearbeitet. Um die modernen Herausforderungen von Wi-Fi besser zu verstehen, wenden wir uns seinen physikalischen Grundlagen zu.

Erinnern wir uns an die Grundlagen!

Radiowellen sind eine spezielle Form elektromagnetischer Wellen, die sich von einer Quelle von Störungen des elektrischen und magnetischen Feldes ausbreiten. Sie sind durch drei Hauptparameter gekennzeichnet: den Wellenvektor sowie die Vektoren der elektrischen und magnetischen Feldstärke. Alle drei sind gegenseitig rechtwinklig zueinander. Die Frequenz der Welle wird als die Anzahl der sich wiederholenden Schwingungen definiert, die in eine Zeiteinheit fallen.

All dies sind allgemein bekannte Fakten. Um jedoch zum Punkt zu kommen, müssen wir am Anfang beginnen.

Auf einer hypothetischen Skala der Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums nimmt der Radiobereich den untersten (niedrigfrequenten) Teil ein. Dazu gehören elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 3 Hz bis 3000 GHz. Alle anderen Bereiche, einschließlich des sichtbaren Lichts, haben eine wesentlich höhere Frequenz.

Je höher die Frequenz, desto mehr Energie kann einer Radiowelle zugeführt werden, allerdings hat sie gleichzeitig eine schlechtere Fähigkeit, Hindernisse zu umgehen, und lässt schneller nach. Das Gegenteil gilt ebenfalls. Berücksichtigt man diese Eigenschaften, wurden für den Betrieb von Wi-Fi zwei Hauptfrequenzbereiche 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).

Radiowellen breiten sich in alle Richtungen aus, und um zu verhindern, dass sich die Nachrichten gegenseitig durch den Interferenzeffekt beeinflussen, ist es üblich, das Frequenzband in separate schmale Segmente zu unterteilen — Kanäle mit einem bestimmten Übertragungsband. In der obigen Abbildung ist zu sehen, dass die benachbarten Kanäle 1 und 2 mit einer Bandbreite von 20 MHz sich gegenseitig stören, während 1 und 6 dies nicht tun.

Das Signal innerhalb eines Kanals wird mit Hilfe einer Radiowelle auf einer bestimmten Trägerfrequenz übertragen. Für die Informationsübertragung können die Parameter der Welle moduliert werden in Bezug auf Frequenz, Amplitude oder Phase.

Die Aufteilung der Kanäle in den Frequenzbereichen von Wi-Fi

Der Frequenzbereich von 2,4 GHz ist in 14 teilweise überlappende Kanäle optimaler Breite — 20 MHz — unterteilt. Früher wurde angenommen, dass dies für die Einrichtung eines komplexen drahtlosen Netzwerks ausreichend sei. Bald stellte sich heraus, dass die Kapazität des Bereichs schnell erschöpft ist, sodass der Bereich von 5 GHz hinzugefügt wurde, dessen spektrale Kapazität viel höher ist. Neben den 20-Megahertz-Kanälen können auch 40 und 80 MHz breite Kanäle zugewiesen werden.

Um die Effizienz der Nutzung des Funkfrequenzspektrums weiter zu steigern, wird derzeit häufig die Technik der Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).

) angewendet. Diese Technologie nutzt neben der Trägerfrequenz auch mehrere Unterträgerfrequenzen im selben Kanal, was die parallele Datenübertragung ermöglicht. OFDM erlaubt eine recht komfortable "granulare" Verkehrsverteilung, hat jedoch aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters einige wesentliche Nachteile. Dazu gehören die Arbeitsprinzipien des Netzwerkprotokolls CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), nach denen in bestimmten Zeitpunkten auf einer Träger- und Unterträgerfrequenz nur ein Nutzer aktiv sein kann.

Räumliche Ströme

Ein wichtiger Weg, um die Bandbreite eines drahtlosen Netzwerks zu erhöhen, ist die Nutzung räumlicher Ströme.

Der Access Point verfügt über mehrere Radiomodule (eins, zwei oder mehr), die mit einer bestimmten Anzahl von Antennen verbunden sind. Diese Antennen senden nach einem bestimmten Schema und Modulation, und wir erhalten die Informationen, die über das drahtlose Medium übermittelt werden. Der räumliche Strom kann zwischen einer bestimmten physischen Antenne (Radiomodul) des Access Points und dem Benutzergerät gebildet werden. Dadurch erhöht sich das Gesamtvolumen der vom Access Point übertragenen Informationen um das Vielfache der Anzahl der Ströme (Antennen).

Nach den aktuellen Standards können im 2,4 GHz-Bereich bis zu vier räumliche Ströme realisiert werden, im 5 GHz-Bereich bis zu acht.

Früher haben wir bei der Arbeit in den Frequenzbereichen von 2,4 und 5 GHz nur auf die Anzahl der Funkmodule geachtet. Das Vorhandensein eines zweiten Funkmoduls bot zusätzliche Flexibilität, da es älteren Endgeräten erlaubte, auf der Frequenz von 2,4 GHz zu arbeiten, während neue auf der Frequenz von 5 GHz arbeiteten. Mit dem Erscheinen des dritten und der folgenden Funkmodule traten jedoch einige Probleme auf. Die Strahlungselemente neigen dazu, gegenseitige Störungen zu verursachen, was die Kosten des Geräts aufgrund der erforderlichen hochwertigeren Planung und Ausstattung des Access Points mit Kompensationsfiltern erhöht. Daher wurde es erst kürzlich möglich, gleichzeitig 16 räumliche Ströme auf einem einzigen Access Point zu unterstützen.

Praktische und theoretische Geschwindigkeit

Aufgrund der Arbeitsmechanismen von OFDM konnten wir die maximale Netzwerkbandbreite nicht erreichen. Die theoretischen Berechnungen für die praktische Implementierung von OFDM wurden schon vor langer Zeit angestellt und nur in Bezug auf ideale Umgebungen, in denen vorhersehbar mit ausreichend hohen Signal-Rausch-Verhältnissen (SNR) und Bitfehlerwahrscheinlichkeiten (BER) gerechnet wurde. Unter den modernen Bedingungen starker Störsignale in allen von uns betrachteten Funkfrequenzbereichen sind die Bandbreiten der auf OFDM basierenden Netzwerke ernüchternd gering. Und das Protokoll trug bis vor kurzem weiterhin diese Mängel in sich, bis die Technologie OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) zur Hilfe kam. Näheres dazu später.

Sprechen wir über Antennen

Wie Sie wissen, hat jede Antenne einen Verstärkungsfaktor, je nach Wert, aus dem sich das räumliche Verbreitungsmuster des Signals (Beamforming) mit einer bestimmten Abdeckung ergibt (wir berücksichtigen keine Signalreflexionen usw.). Genau darauf stützten sich die Überlegungen der Planer, wo die Access Points platziert werden sollten. Lange Zeit blieb die Form des Musters unverändert und wurde nur proportional zu den Eigenschaften der Antenne vergrößert oder verkleinert.

Moderne Antennenelemente werden zunehmend steuerbar und ermöglichen es, das räumliche Verbreitungsmuster des Signals in Echtzeit dynamisch zu ändern.

Links im oberen Bild ist das Prinzip der Ausbreitung von Radiowellen bei Verwendung einer standardmäßigen omnidirektionalen Antenne dargestellt. Durch Erhöhung der Signalstärke konnten wir lediglich den Abdeckungsradius verändern, ohne signifikant die Nutzung des Kanals zu beeinflussen – KQI (Key Quality Indicators). Dieser Indikator ist äußerst wichtig für die Organisation der Kommunikation bei häufigen Bewegungen des Endgeräts in einer drahtlosen Umgebung.

Die Lösung des Problems war der Einsatz vieler kleiner Antennen, deren Last in Echtzeit reguliert werden kann, um Strahlungsmuster je nach räumlicher Lage des Nutzers zu formen.

Auf diese Weise konnte die Technologie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) praktischer eingesetzt werden. Mithilfe dieser Technologie erzeugt der Access Point jederzeit Strahlungsströme, die gezielt auf die Endgeräte gerichtet sind.

Von der Physik zu den Standards 802.11

Mit der Entwicklung der Wi-Fi-Standards änderten sich die Arbeitsprinzipien der physikalischen Schicht des Netzwerks. Der Einsatz anderer Modulationsmechanismen ermöglichte es – beginnend mit den Versionen 802.11g/n – deutlich mehr Informationen in einen Zeit-Slot unterzubringen und somit mit einer größeren Anzahl von Nutzern zu arbeiten. Dies wurde auch durch den Einsatz von räumlichen Strömen erreicht. Die neu gewonnene Flexibilität in Bezug auf die Kanalbreite erlaubte die Generierung einer größeren Anzahl von Ressourcen für MIMO.

Im nächsten Jahr ist die Genehmigung des Standards Wi-Fi 7 geplant. Was wird sich mit seiner Einführung ändern? Neben dem gewohnten Geschwindigkeitszuwachs und der Einführung des 6 GHz-Bereichs wird die Möglichkeit hinzukommen, mit breiten aggregierten Kanälen zu arbeiten, wie z. B. 320 MHz. Dies ist insbesondere im Hinblick auf industrielle Anwendungen von Interesse.

Theoretische Durchsatzrate von Wi-Fi 6

Die theoretische Formel zur Berechnung der nominalen Geschwindigkeit von Wi-Fi 6 ist recht komplex und hängt von vielen Parametern ab, beginnend mit der Anzahl der räumlichen Ströme und endend mit den Informationen, die wir in die Unterträger (oder Unterträger, wenn es mehrere gibt) pro Zeiteinheit einfügen können.

Wie Sie sehen, hängt von den räumlichen Strömen sehr viel ab. Dabei führte zuvor eine Erhöhung ihrer Anzahl in Kombination mit der Verwendung von STC (Space-Time Coding) und MRC (Maximum Ratio Combining) zu einer Verschlechterung der Leistung der drahtlosen Lösung insgesamt.

Neue Schlüsseltechnologien der physikalischen Ebene

Kommen wir zu den Schlüsseltechnologien der physikalischen Ebene – und beginnen wir mit der ersten Ebene des OSI-Netzwerkmodells.

Erinnern wir uns, dass OFDM eine bestimmte Anzahl von Trägersignalen verwendet, die, ohne einander zu stören, in der Lage sind, ein gewisses Volumen von Informationen zu übertragen.

In unserem Beispiel verwenden wir den Bereich von 5,220 GHz, der 48 Unterkanäle umfasst. Durch die Aggregation dieses Kanals erhalten wir eine größere Anzahl von Trägersignalen, auf denen jeweils ein eigenes Modulationsschema angewendet wird.

In Wi-Fi 5 wird die quadratische Modulation 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) verwendet, die es ermöglicht, im Rahmen der Träfrequency in einem Zeitfenster ein Feld von 16 x 16 Punkten zu bilden, die sich in Amplitude und Phase unterscheiden. Das Problem dabei ist, dass zu jedem einzelnen Zeitpunkt nur eine Station auf der Träfrequency übertragen kann.

Die Multiplexierung mit ortogonalem Frequenzmultiplex (OFDMA) stammt aus der Welt der Mobilfunkanbieter, gewann gleichzeitig mit LTE an Verbreitung und wird zur Organisation des Downlinks (Verbindungskanal zum Abonnenten) verwendet. Dies ermöglicht die Arbeit mit dem Kanal auf der Ebene sogenannter Ressourcen-Einheiten. Diese Einheiten helfen, einen Block in eine bestimmte Anzahl von Komponenten zu zerlegen. Innerhalb eines Blocks können wir zu jedem Zeitpunkt nicht nur mit einem einzelnen Strahlungselement (Benutzer oder Zugangspunkt) arbeiten, sondern Dutzende von Elementen kombinieren. Dies ermöglicht bemerkenswerte Ergebnisse.

Einfache Kanalverbindung in Wi-Fi 6

Die Kanalverbindung (Channel Bonding) in Wi-Fi 6 ermöglicht die Erstellung von kombinierten Kanälen mit einer Breite von 20 bis 160 MHz. Dabei ist die Verbindung nicht unbedingt in benachbarten Bereichen vorzunehmen. Zum Beispiel kann ein Block aus dem Bereich von 5,17 GHz genommen werden, während der zweite aus dem Bereich von 5,135 GHz stammt. Dies ermöglicht es, die Funkumgebung flexibel zu gestalten, selbst bei starken Interferenzfaktoren oder in der Nähe anderer ständig strahlender Stationen.

Von SIMO zu MIMO

Die MIMO-Methode war nicht immer bei uns. Früher musste die mobile Kommunikation auf den SIMO-Modus beschränkt werden, der mehrere Antennen an der Abonnentenstation erforderte, die gleichzeitig zur Informationsübertragung dienten.

MU-MIMO wurde entwickelt, um Informationen an die Nutzer zu übertragen, indem der gesamte aktuelle Antennenfonds genutzt wird. Dies beseitigt die zuvor durch das CSMA/CA-Protokoll auferlegten Einschränkungen, die mit der Sendung von Tokens an Abonnentengeräte verbunden waren. Jetzt schließen sich die Nutzer zu einer Gruppe zusammen, und jedes Gruppenmitglied erhält seinen Teil der Ressourcen des Antennenfonds des Access Points, anstatt auf seine Reihe zu warten.

Strahlformung

Eine wichtige Regel für den Betrieb von MU-MIMO ist die Aufrechterhaltung eines Betriebsmodus des Antennenfonds, der keine gegenseitige Überlagerung von Funkwellen und Informationsverlust durch Phasenkombinationen verursacht.

Dies erfordert komplexe mathematische Berechnungen auf der Seite des Access Points. Wenn das Terminal diese Funktion unterstützt, ermöglicht MU-MIMO ihm, dem Access Point mitzuteilen, mit welcher Verzögerung es das Signal von jeder spezifischen Antenne empfängt. Der Access Point passt dann seine Antennen an, um einen optimal gerichteten Strahl zu erzeugen.

Was bedeutet das insgesamt für uns?

In der Tabelle sind die aktuellen Anwendungsszenarien der vorherigen Wi-Fi-Generation mit weißen Kreisen und Zahlen markiert. Die blauen Kreise (siehe oben) beschreiben die Möglichkeiten von Wi-Fi 6, während die grauen Szenarien aus naher Zukunft stammen.

Die Hauptvorteile, die neue Lösungen mit OFDMA-Unterstützung bieten, stehen im Zusammenhang mit den Ressourcen-Einheiten, die auf einer Ebene implementiert sind, die der TDM (Time Division Multiplexing) ähnelt. Solche Lösungen gab es vorher im Wi-Fi nicht. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle über die zugewiesene Bandbreite und sorgt für minimale Signalverzögerungen und den erforderlichen Grad an Zuverlässigkeit. Es gibt keine Zweifel daran, dass die Zuverlässigkeit von Wi-Fi verbessert werden muss.

Die Geschichte entwickelt sich spiralförmig, und die aktuelle Situation ähnelt der, die einst um Ethernet entstand. Schon damals etablierte sich die Ansicht, dass die Übertragungsmedium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) keine garantierte Bandbreite bietet. Und das blieb bis zum Übergang zu IEEE 802.3z so.

Was die generellen Anwendungsmuster betrifft, so sehen wir, dass mit jeder Generation von Wi-Fi die Nutzungsszenarien zunehmen, die immer empfindlicher gegenüber Verzögerungen, allgemeinem Jitter und Zuverlässigkeit sind.

Und wieder über das physikalische Medium

Nun, jetzt geht es darum, wodurch das neue physikalische Medium entsteht. Bei der Verwendung von CSMA/CA und OFDM führte die zunehmende Anzahl aktiver Punkte (Active STA) dazu, dass die Bandbreite des 20-Megahertz-Kanals erheblich sank. Dies war damit verbunden, worauf bereits hingewiesen wurde: mit nicht mehr ganz neuen Technologien wie STC (Space-Time Coding) und MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA kann durch die Verwendung von Ressourcen-Einheiten effektiv mit weit entfernt stehenden und leistungsschwachen Stationen interagieren. Wir erhalten die Möglichkeit, im selben Frequenzband mit Benutzern zu arbeiten, die unterschiedliche Ressourcenmengen benötigen. Ein Benutzer kann eine Einheit belegen, während ein anderer alle übrigen belegen kann.

Warum gab es früher kein OFDMA?

Und schließlich die wichtigste Frage: Warum gab es früher kein OFDMA? Seltsamerweise lag es am Geld.

Lange Zeit wurde angenommen, dass die Kosten für ein Wi-Fi-Modul minimal sein müssen. Als das Protokoll 1997 in den kommerziellen Betrieb ging, wurde beschlossen, dass die Herstellungskosten eines solchen Moduls nicht mehr als 1 USD betragen dürfen. In der Folge nahm die Entwicklung der Technologie einen nicht optimalen Verlauf. Hier berücksichtigen wir nicht das Betreiber-LTE, wo OFDMA bereits seit geraumer Zeit genutzt wird.

Letztendlich entschloss sich die Wi-Fi-Arbeitsgruppe, diese Erkenntnisse aus der Welt der Telekommunikationsdienste in die Welt der Unternehmensnetzwerke zu übertragen. Das Hauptziel wurde der Umstieg auf qualitativ hochwertigere Komponenten, wie Filter und Oszillatoren.

Warum war es so schwierig, mit den alten MRC-Codierungen zu arbeiten, ob mit Interferenz oder ohne? Weil der Mechanismus zur Bildbildung MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) die Anzahl der Fehler drastisch erhöht hat, sobald wir versucht haben, eine große Anzahl von übertragenden Punkten zu kombinieren. OFDMA hat bewiesen, dass das Problem lösbar ist.

Der Kampf gegen Interferenzen basiert jetzt auf Mathematik. Wenn das Zeitfenster für die Informationsübertragung lang genug ist, führt die entstehende dynamische Interferenz zu Problemen. Neue Arbeitsalgorithmen ermöglichen es, diese zu umgehen, indem sie nicht nur die durch die Wi-Fi-Übertragung verursachte Interferenz ausschließen, sondern auch alle anderen, die in diesem Frequenzbereich auftreten können.

Dank des adaptiven Kampfes gegen Interferenzen können wir sogar in anspruchsvollen heterogenen Umgebungen bis zu 11 dB Gewinn erzielen. Der Einsatz eigener algorithmischer Lösungen von Huawei hat eine signifikante Optimierung dort ermöglicht, wo es erforderlich ist - in Indoor-Lösungen. Was in 5G gut funktioniert, ist nicht unbedingt auch in einer Wi-Fi 6 Umgebung brauchbar. Die Ansätze von Massive MIMO und MU-MIMO unterscheiden sich bei Indoor- und Outdoor-Lösungen. Wo es erforderlich ist, können kostspielige Lösungen wie in 5G angemessen eingesetzt werden. Aber es sind auch andere Optionen notwendig, wie Wi-Fi 6, die Latenzen und andere Kennzahlen bieten, die wir von Telekommunikationsanbietern gewohnt sind.

Wir übernehmen von ihnen die Werkzeuge, die für uns als Unternehmensverbraucher nützlich sein werden, um eine physische Umgebung zu schaffen, auf die man sich verlassen kann.

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Übrigens, vergessen Sie nicht unsere zahlreichen Webinare zu den Neuheiten von Huawei im Jahr 2020, die nicht nur im russischsprachigen Raum, sondern auch auf globaler Ebene stattfinden. Die Liste der Webinare für die kommenden Wochen ist verfügbar unter dem Link.

Quelle: habr.com