Tiefergehende Einblicke in die Funktionsweise von Wi-Fi 6: OFDMA und MU-MIMO

Huawei setzt in seinen Entwicklungen auf Wi-Fi 6. Die Fragen von Kollegen und Kunden zum neuen Standardgeneration haben uns dazu angeregt, einen Beitrag über die theoretischen Grundlagen und physikalischen Prinzipien zu schreiben, die ihm zugrunde liegen. Von der Geschichte wenden wir uns der Physik zu und analysieren detailliert, warum die Technologien OFDMA und MU-MIMO notwendig sind. Wir sprechen auch darüber, wie die grundlegend überarbeitete physikalische Übertragungsumgebung eine garantierte Bandbreite der Kanäle ermöglicht und den Gesamtverzögerungsgrad so stark gesenkt hat, dass er mit "Operator-Lösungen" vergleichbar geworden ist. Und das, obwohl moderne Netzwerke auf Basis von 5G im Durchschnitt 20 bis 30 Mal teurer sind als ähnliche Indoor-Netzwerke, die auf Wi-Fi 6 basieren.

Für Huawei ist das Thema keineswegs trivial: Lösungen mit Unterstützung für Wi-Fi 6 zählen zu unseren innovativsten Produkten im Jahr 2020, in die enorme Ressourcen investiert wurden. Hier ist nur ein Beispiel: Forschungen im Bereich der Materialwissenschaft haben es uns ermöglicht, eine Legierung auszuwählen, deren Verwendung in den Radioelementen der Zugangspunkte das Verhältnis "Signal – Rauschen" um 2 bis 3 dB erhöht hat: Wir ziehen den Hut vor Doron Ezri für diesen Erfolg.

Ein wenig Geschichte

Die Geschichte des Wi-Fi lässt sich auf das Jahr 1971 zurückführen, als Professor Norman Abramson an der University of Hawaii mit einer Gruppe von Kollegen das drahtlose Netzwerk ALOHAnet für die Paketübertragung entwickelte, aufbaute und in Betrieb nahm.

1980 wurde eine Gruppe von Standards und Protokollen unter IEEE 802 genehmigt, die die Organisation der beiden untersten Schichten des siebenstufigen OSI-Netzwerkmodells beschreiben. Bis zur Veröffentlichung der ersten Version 802.11 mussten noch lange 17 Jahre vergehen.

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 drahtlosen Datenübertragungstechnologie in die große Welt ein.

Der IEEE 802 Standard. Generationen von Wi-Fi

Der erste Standard, der von Hardware-Herstellern breit unterstützt wurde, war 802.11b. Wie Sie sehen können, war die Frequenz der Innovationen seit Ende des 20. Jahrhunderts relativ stabil: Für qualitative Veränderungen benötigt man Zeit. In den letzten Jahren wurde hauptsächlich an der Verbesserung der physikalischen Übertragungsumgebung gearbeitet. Um die aktuellen Herausforderungen von Wi-Fi besser zu verstehen, schauen wir uns seine physikalischen Grundlagen an.

Erinnern wir uns an die Grundlagen!

Funkwellen sind eine spezielle Form elektromagnetischer Wellen, die sich von einer Quelle elektrischer und magnetischer Störungen ausbreiten. Sie werden durch drei Hauptparameter charakterisiert: den Wellenvektor sowie die Vektoren der elektrischen und magnetischen Feldstärke. Alle drei stehen senkrecht zueinander. Die Frequenz einer Welle bezieht sich auf die Anzahl der sich wiederholenden Schwingungen pro Zeiteinheit.

Das sind alles bekannte Fakten. Um jedoch zum Ende zu kommen, müssen wir am Anfang beginnen.

Auf einer hypothetischen Skala der Frequenzbandbreiten belegt der Funkbereich den niedrigsten (niederfrequenten) Teil. Dazu gehören elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von 3 Hz bis 3000 GHz. Alle anderen Bereiche, einschließlich des sichtbaren Lichts, haben wesentlich höhere Frequenzen.

Je höher die Frequenz, desto mehr Energie kann der Funkwelle zugeführt werden; jedoch hat sie gleichzeitig Schwierigkeiten, Hindernisse zu umgehen, und sie wird schneller abgeschwächt. Umgekehrt gilt das Gleiche. Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften wurden für die Wi-Fi-Nutzung zwei Hauptfrequenzbänder gewählt – 2,4 GHz (Frequenzband von 2,4000 bis 2,4835 GHz) und 5 GHz (Bänder von 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 Signale aufgrund des Interferenzeffekts gegenseitig beeinflussen, wird das Frequenzband in separate schmale Segmente aufgeteilt – Kanäle mit unterschiedlichen Durchlassbändern. In der obigen Darstellung ist zu sehen, dass benachbarte Kanäle 1 und 2 mit einem Durchlassband von 20 MHz sich gegenseitig stören, während 1 und 6 dies nicht tun.

Das Signal innerhalb eines Kanals wird mithilfe von Funkwellen auf einer bestimmten Trägerfrequenz übertragen. Um Informationen zu übertragen, können die Wellenparameter moduliert werden nach Frequenz, Amplitude oder Phase.

Die Aufteilung der Kanäle in den Wi-Fi-Frequenzbändern

Das Frequenzband von 2,4 GHz ist in 14 teilweise überlappende Kanäle mit optimaler Breite von 20 MHz unterteilt. Ursprünglich wurde angenommen, dass dies ausreicht, um ein komplexes drahtloses Netzwerk zu organisieren. Schnell stellte sich jedoch heraus, dass die Kapazität des Bandes rasch erschöpft ist, weshalb das 5-GHz-Band hinzugefügt wurde, dessen spektrale Kapazität wesentlich höher ist. In diesem Band können neben 20-MHz-Kanälen auch 40- und 80-MHz-Kanäle zugewiesen werden.

Um die Effizienz der Nutzung des funkfrequenziellen Spektrums weiter zu steigern, wird derzeit weit verbreitet die Technologie der Multiplexierung mit orthogonalem Frequenzmultiplexing (OFDM).

Es umfasst die Nutzung neben der Trägerfrequenz auch mehrerer Unterträgerfrequenzen im selben Kanal, was die parallele Datenübertragung ermöglicht. OFDM erlaubt eine recht flexible Verteilung des Datenverkehrs, hat jedoch aufgrund seines Alters einige signifikante Nachteile. Dazu gehören die Funktionsprinzipien des Netzprotokolls CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), gemäß denen zu bestimmten Zeiten nur ein Benutzer auf einer Träger- und Unterträgerfrequenz operieren kann.

Raumströme

Ein wichtiger Weg, um die Bandbreite eines drahtlosen Netzwerks zu erhöhen, ist die Verwendung von Raumströmen.

Ein Zugangspunkt enthält mehrere Funkmodule (eins, zwei oder mehr), die mit einer bestimmten Anzahl von Antennen verbunden sind. Diese Antennen strahlen gemäß einem bestimmten Schema und einer Modulation aus, wodurch wir Informationen erhalten, die über ein drahtloses Medium übertragen werden. Der räumliche Kanal kann zwischen einer bestimmten physikalischen Antenne (Funkmodul) des Zugangspunkts und dem Endgerät des Nutzers gebildet werden. Dadurch erhöht sich das Gesamtvolumen der vom Zugangspunkt übertragenen Informationen multipliziert mit der Anzahl der Kanäle (Antennen).

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

Früher konzentrierten wir uns bei der Arbeit in den Frequenzbereichen von 2,4 und 5 GHz ausschließlich auf die Anzahl der Funkmodule. Das Vorhandensein eines zweiten Funkmoduls bot zusätzliche Flexibilität, da es älteren Endgeräten die Nutzung der Frequenz von 2,4 GHz und neueren Geräten die Nutzung der Frequenz von 5 GHz ermöglichte. Mit der Einführung eines dritten und weiterer Funkmodule traten einige Probleme auf. Die strahlenden Elemente neigen dazu, sich gegenseitig zu stören, was die Kosten des Geräts erhöht, da eine qualitativ hochwertigere Planung und Ausstattung des Access Points mit Kompensationsfiltern erforderlich wird. Erst seit kurzem ist es möglich, gleichzeitig 16 räumliche Ströme auf einem einzigen Access Point zu unterstützen.

Praktische und theoretische Geschwindigkeit

Die Mechanismen der OFDM-Technologie haben verhindert, dass wir die maximale Netzwerkbandbreite erreichen konnten. Theoretische Berechnungen für die praktische Implementierung von OFDM wurden bereits vor längerer Zeit durchgeführt und bezogen sich lediglich auf ideale Umgebungen, in denen ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine niedrige Bitfehlerrate (BER) vorhersehbar waren. In der heutigen Zeit, in der starke Störungen in den relevanten Frequenzspektren herrschen, sind die Bandbreitenwerte von OFDM-basierten Netzwerken enttäuschend gering. Dieser Protokollstandard litt bis vor kurzem unter diesen Mängeln, bis die Technologie OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) Unterstützung bot. Mehr dazu später.

Lassen Sie uns über Antennen sprechen.

Wie Sie wissen, verfügt jede Antenne über einen Verstärkungsfaktor, der den räumlichen Strahlmuster der Signalverbreitung (Beamforming) beeinflusst und eine bestimmte Abdeckungsfläche definiert (unter Vernachlässigung von Signalreflexionen usw.). Diese Überlegung bildete lange Zeit die Grundlage der Planungen der Designer, wo genau die Zugangspunkte platziert werden sollten. Länger blieb die Form des Musters unverändert und wurde lediglich proportional zu den Eigenschaften der Antenne vergrößert oder verkleinert.

Moderne Antennenelemente werden zunehmend steuerbar und ermöglichen es, das räumliche Strahlmuster der Signalverbreitung in Echtzeit dynamisch zu verändern.

Links im oberen Bild sehen Sie das Prinzip der Ausbreitung von Radiowellen unter Verwendung einer Standard-Allroundantenne. Durch die Erhöhung der Signalstärke konnten wir nur den Abdeckungsradius ändern, ohne die Qualität der Kanalnutzung – KQI (Key Quality Indicators) – wesentlich beeinflussen zu können. Dieser Indikator ist jedoch von größter Bedeutung für die Bereitstellung von Kommunikation in einer Umgebung mit häufigen Bewegungen des Endgeräts.

Die Lösung des Problems war der Einsatz von vielen kleinen Antennen, deren Last in Echtzeit geregelt werden kann, um die Ausbreitungsmuster entsprechend der räumlichen Position des Nutzers zu formen.

So konnten wir dem Einsatz der MU-MIMO-Technologie (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) erheblich näherkommen. Damit kann der Access Point zu jedem Zeitpunkt Ströme von Strahlung erzeugen, die gezielt auf Endgeräte gerichtet sind.

Von der Physik zu den Standards 802.11

Mit der Weiterentwicklung der Wi-Fi-Standards haben sich auch die Prinzipien der Arbeit mit der physischen Netzwerkschicht geändert. Der Einsatz anderer Modulationsmechanismen ermöglichte es bereits ab den 802.11g/n-Versionen, in einem Zeitfenster deutlich mehr Informationen unterzubringen und somit eine größere Anzahl von Benutzern zu bedienen. Dies wurde unter anderem auch durch die Nutzung von räumlichen Strömungen erreicht. Außerdem erlaubte die neu gewonnene Flexibilität hinsichtlich der Bandbreite die Bildung einer größeren Anzahl von Ressourcen für MIMO.

Für das nächste Jahr ist die Genehmigung des Wi-Fi 7-Standards geplant. Was wird sich mit seiner Einführung ändern? Neben einer üblichen Geschwindigkeitssteigerung und dem Hinzufügen des 6-GHz-Bereichs wird die Möglichkeit entstehen, mit breiten aggregierten Kanälen wie 320 MHz zu arbeiten. Dies ist besonders interessant im Hinblick auf industrielle Anwendungen.

Die 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 Faktoren ab, beginnend bei der Anzahl der räumlichen Strömungen bis hin zu den Informationen, die wir in die Trägerwelle (oder die Trägerwellen, wenn es mehrere gibt) pro Zeiteinheit einfügen können.

Wie Sie sehen können, hängt vieles von den räumlichen Strömungen ab. Tatsächlich verschlechterte eine Erhöhung ihrer Anzahl in Kombination mit der Verwendung von STC (Space-Time Coding) und MRC (Maximum Ratio Combining) zuvor die Leistung der Wireless-Lösung insgesamt.

Neue Schlüsseltechnologien der physikalischen Ebene

Lassen Sie uns zu den Schlüsseltechnologien der physikalischen Ebene übergehen – und beginnen wir mit der ersten Ebene des OSI-Modells.

Wir erinnern Sie daran, dass bei OFDM eine bestimmte Anzahl von Trägersignalen verwendet wird, die, ohne einander zu stören, in der Lage sind, ein gewisses Volumen an Informationen zu übertragen.

In diesem Beispiel verwenden wir den Frequenzbereich 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.

Wi-Fi 5 verwendet die 256-QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation), die es ermöglicht, im Rahmen einer Trägerfrequenz innerhalb eines Zeitfensters ein 16 x 16 Punktfeld zu bilden, das sich in Amplitude und Phase unterscheidet. Nachteilig ist, dass zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur eine Station auf der Trägerfrequenz übertragen kann.

Die Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) stammt aus der Welt der Mobilfunkbetreiber, wurde gleichzeitig mit LTE populär und wird zur Organisation des Downlink (Verbindungskanal zum Endbenutzer) verwendet. Sie ermöglicht es, mit dem Kanal auf der Ebene sogenannter Ressourcen-Einheiten zu arbeiten. Diese Einheiten helfen, einen Block in eine bestimmte Anzahl von Komponenten zu unterteilen. Innerhalb eines Blocks können wir zu jedem Zeitpunkt nicht strikt mit einem einzigen Sendeelement (Benutzer oder Zugangspunkt) arbeiten, sondern mehrere Elemente kombinieren. Dies ermöglicht bemerkenswerte Ergebnisse.

Einfache Kanalverbindung in Wi-Fi 6

Die Kanalbündelung (Channel Bonding) in Wi-Fi 6 ermöglicht die Nutzung gebündelter Kanäle mit einer Breite von 20 bis 160 MHz. Dabei müssen die verwendeten Frequenzen nicht unbedingt benachbart sein. Zum Beispiel kann ein Block aus dem Frequenzbereich von 5,17 GHz und ein anderer aus dem Bereich von 5,135 GHz stammen. Dies erlaubt eine flexible Gestaltung der Funkumgebung, selbst bei starken Interferenzen oder in der Nähe anderer ständig sendender Stationen.

Von SIMO zu MIMO

Die MIMO-Technologie war nicht immer verfügbar. In der Vergangenheit war die mobile Kommunikation auf den SIMO-Betrieb angewiesen, der mehrere Antennen an der Benutzerstation erforderte, die gleichzeitig Informationen empfangen konnten.

MU-MIMO ermöglicht die Übertragung von Informationen an mehrere Benutzer, indem er den gesamten vorhandenen Antennenbestand nutzt. Damit werden die zuvor durch das CSMA/CA-Protokoll auferlegten Einschränkungen aufgehoben, die mit der Zuteilung von Übertragungs-Tokens an die Endgeräte verbunden waren. Jetzt werden die Benutzer in Gruppen zusammengefasst, und jeder Gruppenmitglied erhält seinen Anteil am Antennenressourcen der Zugangsstelle, anstatt auf seine Reihe zu warten.

Bildung des Funkstrahls

Eine wichtige Regel für den Betrieb von MU-MIMO ist die Aufrechterhaltung eines Betriebsmodus der Antennenstruktur, der eine Überlappung der Funkwellen und den Informationsverlust durch Phasenüberlagerung verhindert.

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 an jede spezifische Antenne empfängt. Der Access Point wiederum passt seine Antennen an, um einen optimal gerichteten Strahl zu bilden.

Was bedeutet das für uns insgesamt?

Die weißen Kreise mit Zahlen in der Tabelle zeigen die aktuellen Anwendungsszenarien von Wi-Fi der vorherigen Generationen. Die blauen Kreise (siehe Abbildung oben) beschreiben die Möglichkeiten von Wi-Fi 6, während die grauen Kreise die nahe Zukunft darstellen.

Die Hauptvorteile neuer Lösungen mit OFDMA-Unterstützung liegen in den Ressourcen-Einheiten, die auf einer Ebene ähnlich der TDM (Time Division Multiplexing) implementiert sind. Solch eine Technologie gab es zuvor nicht im Wi-Fi. Sie ermöglicht eine präzise Kontrolle der zugewiesenen Bandbreite, was eine minimale Signalverzögerung in der Übertragungsumgebung und den erforderlichen Zuverlässigkeitsstandard gewährleistet. Es besteht kein Zweifel, dass die Zuverlässigkeitswerte von Wi-Fi verbessert werden müssen.

Die Geschichte wiederholt sich, und die aktuelle Situation ähnelt der, die einst rund um Ethernet herrschte. Bereits damals festigte sich die Meinung, dass das Übertragungsmedium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) keine garantierte Bandbreite bereitstellt. Dies setzte sich fort bis zum Übergang auf IEEE 802.3z.

Was die allgemeinen Anwendungsmodelle betrifft, so sieht man, dass mit jeder Generation von Wi-Fi die Nutzungsszenarien zunehmen, die zunehmend empfindlich auf Verzögerungen, allgemeines Jitter und Zuverlässigkeit reagieren.

Und wieder zurück zur physischen Umgebung.

Jetzt kommen wir zu den Faktoren, die die neue physische Umgebung formen. 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 verbunden mit den bereits erwähnten, nicht mehr ganz neuen Technologien STC (Space-Time Coding) und MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA kann durch die Nutzung von Ressourceneinheiten effektiv mit entfernten und leistungsschwachen Stationen interagieren. Damit erhalten wir die Möglichkeit, im gleichen Trägerspektrum mit Benutzern zu arbeiten, die unterschiedliche Ressourcenmengen verbrauchen. Ein Benutzer kann eine Einheit belegen, während ein anderer alle anderen nutzen kann.

Warum gab es zuvor kein OFDMA?

Und schließlich die zentrale Frage: Warum gab es zuvor kein OFDMA? Kurioserweise hatte das alles mit Geld zu tun.

Lange Zeit galt es als selbstverständlich, dass der Preis für Wi-Fi-Module möglichst gering sein sollte. Als 1997 das Protokoll in den kommerziellen Gebrauch eingeführt wurde, entschied man, dass die Produktionskosten eines solchen Moduls $1 nicht übersteigen dürften. Infolgedessen entwickelte sich die Technologie in eine suboptimale Richtung. Hier berücksichtigen wir nicht das Betreiber-LTE, in dem OFDMA bereits seit geraumer Zeit Verwendung findet.

Letztendlich entschied die Arbeitsgruppe für Wi-Fi, diese Erkenntnisse aus der Welt der Telekommunikation in den Bereich der Unternehmensnetzwerke zu übertragen. Die Hauptaufgabe bestand darin, auf qualitativ hochwertigere Komponenten wie Filter und Oszillatoren umzusteigen.

Warum war es so schwierig, mit den alten MRC-Codierungen zu arbeiten, egal ob mit oder ohne Störungen? Weil der MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) Strahlbildungsmechanismus die Fehleranzahl deutlich erhöhte, sobald wir versuchten, eine große Anzahl von Sendepunkten zu kombinieren. OFDMA hat bewiesen, dass das Problem lösbar ist.

Die Bekämpfung von Interferenzen basiert jetzt auf Mathematik. Wenn das Übertragungsfenster lang genug ist, führt die entstehende dynamische Interferenz zu Problemen. Neue Betriebsalgorithmen ermöglichen es, diese Probleme zu umgehen, indem sie nicht nur die durch die Wi-Fi-Übertragung verursachte Interferenz, sondern auch jede andere im Frequenzbereich ausschließen.

Dank der adaptiven Interferenzbekämpfung können wir selbst in komplexen, heterogenen Umgebungen Gewinne von bis zu 11 dB erzielen. Der Einsatz eigener algorithmischer Lösungen von Huawei hat es uns ermöglicht, eine erhebliche Optimierung dort zu erreichen, wo es erforderlich ist - in Indoor-Lösungen. Was gut in 5G ist, ist nicht unbedingt gut in einer Wi-Fi-6-Umgebung. Die Ansätze von Massive MIMO und MU-MIMO unterscheiden sich im Falle von Indoor- und Outdoor-Lösungen. Dort, wo es erforderlich ist, sind kostspielige Lösungen wie in 5G angemessen. Aber es sind auch andere Optionen nötig, wie Wi-Fi 6, die Latenzen und andere Leistungsmerkmale bieten können, die wir von Telekommunikationsanbietern gewohnt sind.

Wir übernehmen die Werkzeuge, die für uns als Unternehmensnutzer nützlich sein werden, um eine physische Umgebung zu schaffen, auf die wir uns verlassen können.

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

Quelle: habr.com