🥇¿Qué nos espera en Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Recientemente, han salido al mercado dispositivos que soportan la tecnología Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), de la cual se habla mucho. Pero pocos saben que ya se está desarrollando la nueva generación de tecnología Wi-Fi: Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Sobre lo que representará Wi-Fi 7 se trata en este artículo.

Antecedentes

En septiembre de 2020, celebraremos el 30° aniversario del proyecto IEEE 802.11, que ha impactado significativamente en nuestras vidas. Actualmente, la tecnología Wi-Fi, definida por la familia de estándares IEEE 802.11, es la tecnología inalámbrica más popular utilizada para conectarse a Internet: Wi-Fi transmite más de la mitad del tráfico de usuarios. Mientras que las tecnologías móviles se rebranding cada década, por ejemplo, al cambiar el nombre de 4G a 5G, para los usuarios de Wi-Fi, el aumento de la velocidad de transferencia de datos, así como la implementación de nuevos servicios y funciones, ocurre prácticamente de manera imperceptible. Solo unos pocos clientes se preocupan por las letras «n», «ac» o «ax» que siguen a «802.11» en las cajas de equipos. Pero esto no significa que Wi-Fi no esté evolucionando.

Una de las pruebas del desarrollo de Wi-Fi es el aumento drástico de las velocidades nominales de transferencia de datos: desde 2 Mbit/s en la versión de 1997 hasta casi 10 Gbit/s en el último estándar 802.11ax, también conocido como Wi-Fi 6. El Wi-Fi moderno logra tal incremento en el rendimiento gracias a construcciones de señal y codificación más rápidas, canales más amplios y el uso de tecnologías. MIMO.

Además de la dirección principal de redes locales inalámbricas de alta velocidad, la evolución de Wi-Fi incluye varios proyectos nicho. Por ejemplo, Wi-Fi HaLow (802.11ah) fue un intento de llevar Wi-Fi al mercado del Internet de las Cosas. Wi-Fi de milímetros (802.11ad/ay) admite velocidades de transferencia de datos nominales de hasta 275 Gbit/s, aunque a distancias muy cortas.

Las nuevas aplicaciones y servicios relacionados con transmisión de video de alta resolución, realidad virtual y aumentada, juegos, oficinas remotas y computación en la nube, así como la necesidad de soportar un gran número de usuarios con tráfico intenso en redes inalámbricas, requieren un alto rendimiento.

Objetivos de Wi-Fi 7

En mayo de 2019, un subgrupo BE (TGbe) del grupo de trabajo 802.11 del comité de estandarización de redes locales y metropolitanas comenzó a trabajar en una nueva adición al estándar Wi-Fi que aumentará la capacidad nominal a más de 40 Gbps en un canal de frecuencia "típico" para el rango de Wi-Fi <= 7 GHz. Aunque muchos documentos mencionan "una capacidad máxima de al menos 30 Gbps", el nuevo protocolo de capa física garantizará una velocidad nominal superior a 40 Gbps.

Otra dirección importante en el desarrollo de Wi-Fi 7 es el soporte para aplicaciones en tiempo real (juegos, realidad virtual y aumentada, control de robots). Cabe destacar que, aunque Wi-Fi maneja de forma particular el tráfico de audio y video, durante mucho tiempo se consideró que garantizar latencias bajas (en milisegundos), también conocido como Time-Sensitive Networking, en redes Wi-Fi era fundamentalmente imposible. En noviembre de 2017, nuestro equipo de IPPI RAN y HSE (no lo tome como publicidad) presentó una propuesta correspondiente en el grupo IEEE 802.11. La propuesta generó gran interés, y en julio de 2018 se lanzó un subgrupo especial para investigar este problema más a fondo. Dado que se requieren tanto altas velocidades de transmisión de datos como una expansión de la funcionalidad del nivel de enlace para apoyar aplicaciones en tiempo real, el grupo de trabajo 802.11 decidió desarrollar métodos para apoyar aplicaciones en tiempo real en el marco de Wi-Fi 7.

Una cuestión importante relacionada con Wi-Fi 7 es su coexistencia con las tecnologías de redes móviles (4G/5G) que están siendo desarrolladas por 3GPP y que operan en las mismas bandas de frecuencia no licenciadas. Se refiere a LTE-LAA/NR-U. Para investigar los problemas de coexistencia entre Wi-Fi y las redes móviles, IEEE 802.11 lanzó el Coexisting Standing Committee (Coex SC). A pesar de numerosas reuniones e incluso un seminario conjunto con participantes de 3GPP e IEEE 802.11 en julio de 2019 en Viena, aún no se han aprobado las soluciones técnicas. Una posible explicación para esta inactividad es que tanto IEEE 802 como 3GPP no quieren modificar sus propias tecnologías para alinearlas con la otra. Así, en este momento no está claro si las discusiones en el marco de Coex SC influirán en el estándar Wi-Fi 7..

El proceso de desarrollo

Aunque el proceso de desarrollo de Wi-Fi 7 se encuentra en su etapa inicial, hasta ahora se han presentado alrededor de 500 propuestas de nuevas funcionalidades para el futuro Wi-Fi 7, también conocido como IEEE 802.11be. La mayoría de las ideas se están discutiendo únicamente en el subgrupo be y aún no se ha tomado una decisión sobre ellas. Otras ideas han sido aprobadas recientemente. A continuación, se indicará claramente qué propuestas están aprobadas y cuáles solo están en discusión.

Inicialmente se proyectó que el desarrollo de los nuevos mecanismos principales se finalizaría en marzo de 2021. Se espera que la versión final del estándar esté lista a principios de 2024. En enero de 2020, el subgrupo 11be expresó su preocupación sobre si el desarrollo se ajustaría al cronograma dado el ritmo actual de trabajo. Para acelerar el proceso de desarrollo del estándar, el subgrupo acordó seleccionar un pequeño conjunto de funciones de alta prioridad que podrían lanzarse en 2021 (Release 1), dejando las demás para Release 2. Las funciones de alta prioridad deben proporcionar un aumento significativo en el rendimiento e incluyen soporte para 320 MHz, 4K-QAM, mejoras evidentes en OFDMA de Wi-Fi 6 y MU-MIMO con 16 flujos.

Debido al coronavirus, el grupo no se está reuniendo físicamente, pero lleva a cabo conferencias telefónicas regularmente. Por lo tanto, el desarrollo ha disminuido un poco, pero no se ha detenido.

Detalles de la tecnología

Examinemos las principales innovaciones de Wi-Fi 7.

El nuevo protocolo de la capa física es una evolución del protocolo Wi-Fi 6 con un aumento de dos veces el ancho de banda hasta 320 MHz, un aumento del doble en el número de flujos espaciales de MU-MIMO, lo que incrementa la capacidad nominal en 2×2 = 4 veces. Wi-Fi 7 también comenzará a utilizar la modulación 4K-QAM, lo que añade un 20% adicional a la capacidad nominal. Por lo tanto, Wi-Fi 7 ofrecerá una velocidad de transmisión de datos nominal de 2x2x1,2 = 4,8 veces más en comparación con Wi-Fi 6: la capacidad nominal máxima de Wi-Fi 7 es de 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbps. Además, habrá un cambio revolucionario en el protocolo de la capa física relacionado con la compatibilidad con futuras versiones de Wi-Fi, pero seguirá siendo invisible para los usuarios.
Cambio en el método de acceso al canal para soportar aplicaciones en tiempo real se llevará a cabo teniendo en cuenta la experiencia de IEEE 802 TSN para redes alámbricas. Las discusiones continuas en el comité de estandarización están relacionadas con el procedimiento de retraso aleatorio en el acceso al canal, las categorías de servicio del tráfico y, en consecuencia, colas separadas para el tráfico en tiempo real, así como políticas de manejo de paquetes.
Introducido en Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – método de acceso al canal que divide el tiempo y la frecuencia (similar al utilizado en redes 4G y 5G) – ofrece nuevas oportunidades para la distribución óptima de recursos. Sin embargo, en 11ax, OFDMA no es lo suficientemente flexible. Primero, permite que el punto de acceso asigne a un dispositivo cliente solo un bloque de recursos de tamaño predeterminado. En segundo lugar, no admite transmisión directa entre estaciones clientas. Ambas desventajas reducen la eficiencia espectral. Además, la falta de flexibilidad herencia de Wi-Fi 6 OFDMA afecta el rendimiento en redes densas y aumenta la latencia, lo cual es crítico para aplicaciones en tiempo real. 11be resolverá estos problemas de OFDMA.
Uno de los cambios revolucionarios aprobados de Wi-Fi 7 es el soporte integrado para el uso simultáneo de múltiples conexiones paralelas en diferentes frecuencias, lo cual es muy útil para altas velocidades de transferencia de datos y para una latencia extremadamente baja. Aunque los chipsets modernos ya pueden utilizar múltiples conexiones simultáneamente, por ejemplo, en los rangos de 2.4 y 5 GHz, estas conexiones son independientes, lo que limita la efectividad de tal operación. En 11be se encontrará un nivel de sincronización entre canales que permitirá un uso efectivo de los recursos del canal y llevará a cambios significativos en las reglas del protocolo de acceso al canal.
El uso de canales muy anchos y un gran número de flujos espaciales conduce a un problema de altos costos operativos asociados con el procedimiento de evaluación del estado del canal, necesario para MIMO y OFDMA. Estos costos anulan todas las ganancias obtenidas al aumentar las velocidades nominales de transferencia de datos. Se espera que el procedimiento de evaluación del estado del canal sea revisado.
En el contexto de Wi-Fi 7, se está debatiendo en el comité de estandarización el uso de algunos métodos de transmisión de datos "avanzados". Teóricamente, estos métodos aumentan la eficiencia espectral en el caso de reintentos de transmisión, así como en transmisiones simultáneas en la misma o en direcciones opuestas. Se trata de la solicitud automática de repetición híbrida (HARQ), que actualmente se utiliza en redes móviles, del modo de doble conexión (full-duplex) y del acceso múltiple no ortogonal (NOMA). Estos métodos están bien estudiados en la literatura teórica, sin embargo, todavía no está claro si el aumento de rendimiento que proporcionan compensará los esfuerzos destinados a su implementación.
- Uso HARQ se complica con el siguiente problema. En Wi-Fi, para reducir la sobrecarga, los paquetes se agrupan. En las versiones actuales de Wi-Fi, la entrega de cada paquete dentro de un grupo se confirma y, si no se recibe la confirmación, la transmisión del paquete se repite utilizando los métodos del protocolo de acceso al canal. HARQ traslada los reintentos del nivel de enlace al nivel físico, donde ya no hay paquetes, sino palabras de código, y los límites de las palabras de código no coinciden con los límites de los paquetes. Esta desincronización complica la implementación de HARQ en Wi-Fi.
- En cuanto a Full-Duplex, actualmente no es posible transmitir simultáneamente datos desde y hacia un punto de acceso (estación base) en el mismo canal de frecuencia, ni en redes móviles ni en redes Wi-Fi. Desde un punto de vista técnico, esto se debe a la gran diferencia en la potencia de la señal transmitida y la recibida. Aunque existen prototipos que combinan la resta digital y analógica de la señal transmitida de la recibida, capaces de recibir la señal Wi-Fi durante su transmisión, la ganancia que pueden ofrecer en la práctica puede ser insignificante, ya que en cada momento el flujo descendente no es igual al ascendente (en promedio, en general, el flujo descendente es significativamente mayor). Además, dicha transmisión bidireccional complicará considerablemente el protocolo.
- Si para la transmisión de múltiples flujos utilizando MIMO se necesitan varias antenas para el emisor y el receptor, en el caso del acceso no ortogonal, el punto de acceso puede transmitir datos a dos receptores simultáneamente con una sola antena. Las diferentes variantes del acceso no ortogonal están incluidas en las últimas especificaciones de 5G. Prototipo NOMA Wi-Fi fue creado por primera vez en 2018 en la IPPI RAN (no lo tomen como publicidad). Demostró un aumento del rendimiento del 30-40%. Las ventajas de la tecnología desarrollada son su retrocompatibilidad: uno de los dos receptores puede ser un dispositivo anticuado que no soporte Wi-Fi 7. En general, el problema de la retrocompatibilidad es muy importante, ya que en una red de Wi-Fi pueden operar simultáneamente dispositivos de diferentes generaciones. Actualmente, varios equipos en el mundo están analizando la eficacia de la combinación de NOMA y MU-MIMO, cuyos resultados determinarán el futuro de este enfoque. También seguimos trabajando en el prototipo: su próxima versión será presentada en la conferencia IEEE INFOCOM en julio de 2020.
Finalmente, otra innovación importante, pero con un destino incierto, es el trabajo coordinado de los puntos de acceso. Aunque muchos proveedores tienen sus propios controladores centralizados para redes Wi-Fi empresariales, las capacidades de dichos controladores han sido, por lo general, limitadas a la configuración de parámetros a largo plazo y la selección de canales. El Comité de Normalización está discutiendo una colaboración más estrecha entre los puntos de acceso vecinos, que incluye la planificación coordinada de transmisiones, beamforming y incluso sistemas MIMO distribuidos. Algunos de los enfoques considerados utilizan la supresión de interferencias secuencial (algo similar a lo que es NOMA). Aunque los enfoques para coordinar 11be aún no se han desarrollado por completo, no hay duda de que el estándar permitirá que los puntos de acceso de diferentes fabricantes coordinen sus horarios de transmisión para reducir la interferencia mutua. En cuanto a otros enfoques más complejos (como el MU-MIMO distribuido), será más difícil implementarlos en el estándar, aunque algunos miembros del grupo están decididos a hacerlo en el marco de la Release 2. Independientemente del resultado, el destino de los métodos de coordinación de puntos de acceso es incierto. Incluso si se incluyen en el estándar, pueden no llegar al mercado. Situaciones similares han ocurrido anteriormente al intentar organizar las transmisiones de Wi-Fi mediante soluciones como HCCA (11e) y HCCA TXOP Negotiation (11be).

En resumen, parece que la mayoría de las propuestas relacionadas con los primeros cinco grupos se convertirán en parte del Wi-Fi 7, mientras que las propuestas relacionadas con los dos últimos grupos requieren investigaciones adicionales significativas para demostrar su efectividad.