En sus desarrollos, Huawei pone su énfasis en Wi-Fi 6. Las preguntas de colegas y clientes sobre la nueva generación de estándares nos impulsaron a escribir una publicación sobre los fundamentos teóricos y principios físicos que lo sustentan. Pasando de la historia a la física, analizaremos en detalle por qué son necesarias las tecnologías OFDMA y MU-MIMO. También hablaremos sobre cómo el entorno físico de transmisión de datos, completamente rediseñado, ha permitido lograr un rango de capacidad garantizada de los canales y una reducción tan significativa del nivel de latencia general que ahora es comparable con la de los operadores. Y esto a pesar de que las redes modernas basadas en 5G son más caras (en promedio de 20 a 30 veces) que las redes interiores de Wi-Fi 6 con capacidades similares.
Para Huawei, el tema no es en absoluto trivial: las soluciones con soporte para Wi-Fi 6 están entre nuestros productos más innovadores en 2020, en los que se han invertido enormes recursos. Aquí hay solo un ejemplo: las investigaciones en el campo de la ciencia de materiales nos permitieron seleccionar una aleación cuyo uso en los componentes de radio de los puntos de acceso aumentó la relación "señal-ruido" en 2–3 dB: nos inclinamos en señal de respeto ante Doron Ezri por este logro.
Un poco de historia
La historia de Wi-Fi merece comenzar en 1971, cuando en la Universidad de Hawái, el profesor Norman Abramson, junto con un grupo de colegas, desarrolló, construyó y lanzó una red inalámbrica de transmisión de datos por paquetes llamada ALOHAnet.
En 1980 se aprobó un conjunto de estándares y protocolos IEEE 802, que describen la organización de las dos capas inferiores del modelo de red OSI de siete capas. Pasaron largos 17 años hasta el lanzamiento de la primera versión de 802.11.
Con la adopción en 1997 del estándar 802.11, dos años antes de la aparición de la organización Wi-Fi Alliance, la primera generación de la tecnología de transmisión de datos inalámbrica más popular hoy en día dio un paso hacia el gran mundo.
Estándar IEEE 802. Generaciones de Wi-Fi
El primer estándar, realmente apoyado de manera masiva por los fabricantes de equipos, fue el 802.11b. Como puedes ver, la frecuencia de innovaciones desde finales del siglo XX ha sido bastante estable: los cambios de calidad requieren tiempo. En los últimos años, el enfoque principal se ha centrado en mejorar el entorno físico de transmisión de la señal. Para comprender mejor los problemas actuales de Wi-Fi, volvamos a sus fundamentos físicos.
¡Recordemos los fundamentos!
Las ondas de radio son un caso particular de las ondas electromagnéticas, que se propagan desde una fuente de perturbaciones del campo eléctrico y magnético. Se caracterizan por tres parámetros principales: el vector de onda, así como los vectores de intensidad de los campos eléctrico y magnético. Los tres son mutuamente perpendiculares entre sí. La frecuencia de la onda se denomina la cantidad de oscilaciones repetitivas que ocurren en una unidad de tiempo.
Todos estos son hechos ampliamente conocidos. Sin embargo, para llegar hasta el final, debemos comenzar desde el principio.
En una escala convencional de rangos de frecuencias de radiación electromagnética, el rango de radio ocupa la parte más baja (de baja frecuencia). Incluye ondas electromagnéticas con frecuencias de oscilación que van de 3 Hz a 3000 GHz. Todos los demás rangos, incluido el luz visible, tienen frecuencias mucho más altas.
Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía que se puede transmitir a la onda de radio; sin embargo, al mismo tiempo, es menos capaz de sortear obstáculos y se atenúa más rápido. Lo contrario también es cierto. Teniendo en cuenta estas características, se eligieron dos rangos de frecuencia principales para el funcionamiento del Wi-Fi: 2.4 GHz (rango de frecuencias de 2.4000 a 2.4835 GHz) y 5 GHz (rangos de frecuencias de 5.170 a 5.330, 5.490 a 5.730 y 5.735 a 5.835 GHz).
Las ondas de radio se propagan en todas direcciones y, para evitar que los mensajes se influencien entre sí debido al efecto de interferencia, se suele dividir el espectro de frecuencia en segmentos estrechos separados: canales con una cierta . En el diagrama de arriba se observa que los canales 1 y 2, que tienen un ancho de banda de 20 MHz, interferirán entre sí, mientras que los canales 1 y 6 no lo harán.
La señal dentro del canal se transmite mediante una onda de radio a una frecuencia portadora determinada. Para transmitir información, los parámetros de la onda pueden en frecuencia, amplitud o fase.
Separación de canales en los rangos de frecuencia Wi-Fi
El rango de frecuencia de 2.4 GHz se divide en 14 canales que se superponen parcialmente, con un ancho de banda óptimo de 20 MHz. Se consideraba que esto era suficiente para organizar una compleja red inalámbrica. Sin embargo, pronto se descubrió que la capacidad del rango se estaba agotando rápidamente, por lo que se añadió el rango de 5 GHz, cuya capacidad espectral es mucho mayor. En este rango, además de los canales de 20 MHz, es posible asignar canales de 40 y 80 MHz.
Para mejorar aún más la eficiencia del uso del espectro de radiofrecuencias, actualmente se aplica ampliamente la tecnología de multiplexión por división de frecuencia ortogonal (OFDM).).
Esto implica el uso de varias subfrecuencias junto con la frecuencia portadora en el mismo canal, lo que permite la transmisión paralela de datos. OFDM permite distribuir el tráfico de manera bastante conveniente en un modo 'granular', pero, debido a su antigüedad, conserva una serie de desventajas significativas. Entre ellas se encuentran los principios de funcionamiento del protocolo de red CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), de acuerdo con los cuales, en ciertos momentos, solo un usuario puede operar en una portadora y sus subportadoras.
Flujos espaciales
Una forma importante de aumentar la capacidad de la red inalámbrica es el uso de flujos espaciales.
El punto de acceso cuenta con varios módulos de radio (uno, dos o más) que están conectados a un número determinado de antenas. Estas antenas emiten según un esquema de modulación específico y, gracias a ello, recibimos la información transmitida a través del medio inalámbrico. El flujo espacial puede formarse entre una antena física específica (módulo de radio) del punto de acceso y el dispositivo del usuario. Gracias a esto, el volumen total de información transmitida desde el punto de acceso aumenta multiplicándose por el número de flujos (antenas).
Según los estándares actuales, en el rango de 2.4 GHz se pueden implementar hasta cuatro flujos espaciales, y en el rango de 5 GHz hasta ocho.
Anteriormente, al trabajar en los rangos de 2,4 y 5 GHz, nos enfocábamos únicamente en la cantidad de módulos de radio. La presencia de un segundo módulo de radio ofrecía flexibilidad adicional, ya que permitía que los dispositivos de suscripción más antiguos funcionaran en la frecuencia de 2,4 GHz, mientras que los nuevos operaban en 5 GHz. Con la llegada de un tercer y sucesivos módulos de radio, surgieron algunos problemas. Los elementos radiantes tienden a inducir interferencias entre sí, lo que incrementa el costo del dispositivo debido a la necesidad de un diseño más sofisticado y la dotación de filtro de compensación en el punto de acceso. Así que solo recientemente se ha vuelto posible mantener simultáneamente 16 flujos espaciales en un único punto de acceso.
Velocidad práctica y teórica
Debido a los mecanismos de operación de OFDM, no pudimos obtener la máxima capacidad de la red. Los cálculos teóricos para la implementación práctica de OFDM se realizaron hace mucho tiempo y solo en condiciones ideales, donde se esperaba un nivel de relación 'señal-ruido' (SNR) suficientemente alto y una probabilidad de error por bit (BER) razonable. En las condiciones actuales de alta interferencia en todos los espectros de frecuencia de radio de interés, las capacidades de las redes basadas en OFDM son decepcionantemente bajas. Y el protocolo, hasta hace poco, continuaba arrastrando estas desventajas, hasta que la tecnología OFDMA (acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal) vino en su ayuda. Hablaremos de ella más adelante.
Hablemos de antenas
Como saben, cada antena tiene un coeficiente de ganancia, a partir del cual se forma el patrón espacial de propagación de la señal (beamforming) con un área de cobertura determinada (no consideramos la reflexión de señales, etc.). En esto siempre se han basado las consideraciones de los diseñadores sobre dónde deben ubicarse los puntos de acceso. Durante mucho tiempo, la forma del patrón se mantuvo inalterada y solo aumentaba o disminuía proporcionalmente a las características de la antena.
Los elementos de antena modernos se están volviendo cada vez más controlables y permiten modificar dinámicamente el patrón espacial de propagación de la señal en tiempo real.
A la izquierda en la parte superior se muestra el principio de propagación de las ondas de radio al utilizar una antena omnidireccional estándar. Al aumentar la potencia de la señal, solo podíamos modificar el radio de cobertura sin la posibilidad de influir significativamente en la calidad del uso del canal — KQI (Indicadores Clave de Calidad). Este indicador es extremadamente importante al organizar la comunicación en condiciones de movimiento frecuente del dispositivo del suscriptor en un entorno inalámbrico.
La solución al problema fue el uso de una gran cantidad de antenas pequeñas, cuya carga se puede regular en tiempo real, formando patrones de propagación según la posición espacial del usuario.
De este modo, se logró acercarse a la implementación de la tecnología MU-MIMO (Múltiples Entradas, Múltiples Salidas para Varios Usuarios). Con ella, el punto de acceso puede en cualquier momento formar flujos de radiación dirigidos precisamente hacia los dispositivos de los suscriptores.
De la física a los estándares 802.11
A medida que evolucionaban los estándares de Wi-Fi, cambiaban los principios de trabajo con la capa física de la red. El uso de otros mecanismos de modulación permitió — a partir de las versiones 802.11g/n — incluir en un slot temporal mucha más información y, por lo tanto, trabajar con un mayor número de usuarios. Además, esto se logró gracias al uso de flujos espaciales. La nueva flexibilidad en cuanto al ancho de banda permitió formar una mayor cantidad de recursos para MIMO.
El próximo año se espera la aprobación del estándar Wi-Fi 7. ¿Qué cambiará con su llegada? Además del habitual aumento de velocidad y la adición de la banda de 6 GHz, habrá la posibilidad de trabajar con anchos de canales agregados amplios, como 320 MHz. Esto es especialmente interesante en el contexto de aplicaciones industriales.
Capacidad teórica de Wi-Fi 6
La fórmula teórica para calcular la velocidad nominal de operación de Wi-Fi 6 es bastante compleja y depende de muchos parámetros, desde la cantidad de flujos espaciales hasta la información que podemos transmitir en la portadora (o portadoras, si hay más de una) por unidad de tiempo.
Como pueden ver, los flujos espaciales dependen de muchas cosas. De hecho, antes, el aumento en su cantidad, combinado con el uso de STC (Space-Time Coding) y MRC (Maximum Ratio Combining), deterioraba el rendimiento de la solución inalámbrica en general.
Nuevas tecnologías clave de nivel físico
Pasemos a las tecnologías clave de nivel físico y comencemos con la primera capa del modelo de red OSI.
Recordemos que en OFDM se utiliza una cantidad determinada de subportadoras que pueden transmitir un volumen de información sin interferirse entre sí.
En el ejemplo usamos la banda de 5.220 GHz, que contiene 48 subcanales. Al agregar este canal, obtendremos un mayor número de subportadoras, cada una de las cuales aplica su propio esquema de modulación.
En Wi-Fi 5 se utiliza modulación de amplitud en cuadratura 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que permite formar en el marco de la frecuencia portadora, en un solo intervalo de tiempo, un campo de 16 x 16 puntos, que varían en amplitud y fase. La desventaja es que, en cada momento, solo una estación puede realizar la transmisión en la frecuencia portadora.
La multiplexión por división ortogonal de frecuencias de canales (OFDMA) proviene del mundo de los operadores móviles, se ha popularizado simultáneamente con LTE y se utiliza para organizar el downlink (canal de comunicación al suscriptor). Permite trabajar con el canal a nivel de los denominados unidades de recursos. Estas unidades ayudan a dividir un bloque en un número determinado de componentes. Dentro de un bloque, en cada momento no necesitamos trabajar estrictamente con un solo elemento emisor (usuario o punto de acceso), sino que podemos combinar decenas de elementos. Esto permite lograr resultados notables.
Conexión simple de canales en Wi-Fi 6
La conexión de canales (Channel Bonding) en Wi-Fi 6 permite obtener canales combinados con un ancho de 20 a 160 MHz. Además, no es necesario que los canales conectados estén en rangos cercanos. Por ejemplo, un bloque se puede tomar de la banda de 5.17 GHz, y el segundo de la banda de 5.135 GHz. Esto permite construir el medio de radio de manera flexible, incluso en presencia de factores de interferencia fuertes o en proximidad a otras estaciones que emiten continuamente.
De SIMO a MIMO
El método MIMO no siempre ha estado con nosotros. En algún momento, las comunicaciones móviles tenían que limitarse al modo SIMO, que implicaba que la estación del abonado contara con varias antenas trabajando simultáneamente para recibir información.
MU-MIMO está diseñado para transmitir información a los usuarios utilizando todo el fondo de antenas disponible. Esto elimina las limitaciones impuestas anteriormente por el protocolo CSMA/CA relacionadas con el envío de tokens de transmisión a los dispositivos abonados. Ahora, los usuarios se agrupan y cada miembro del grupo recibe su parte de los recursos del fondo de antenas del punto de acceso, en lugar de esperar su turno.
Formación del haz de radio
Una regla importante en el funcionamiento de MU-MIMO es mantener un modo de operación del fondo de antenas que evite la superposición mutua de las ondas de radio y la pérdida de información debido a la combinación de fasos.
Esto requiere complejos cálculos matemáticos en el lado del punto de acceso. Si el terminal admite esta función, MU-MIMO le permite comunicar al punto de acceso con qué retardo recibe la señal en cada antena específica. El punto de acceso, a su vez, ajusta sus antenas para formar un haz óptimamente dirigido.
¿Qué nos da esto en general?
Los círculos blancos con números en la tabla indican los actuales escenarios de aplicación de Wi-Fi de generaciones anteriores. Los círculos azules (ver ilustración anterior) describen las capacidades de Wi-Fi 6, mientras que los grises representan un futuro no muy lejano.
Las principales ventajas que brindan las nuevas soluciones con soporte para OFDMA están relacionadas con las unidades de recursos, implementadas en un nivel similar al TDM (Multiplexión por División de Tiempo). Esto no existía anteriormente en Wi-Fi. Permite un control claro del ancho de banda asignado, garantizando un tiempo mínimo de paso de la señal a través del medio y el nivel de fiabilidad requerido. Afortunadamente, nadie duda de que los indicadores de fiabilidad de Wi-Fi necesitan mejoras.
La historia avanza en espiral, y la situación actual se asemeja a la que se vivió en su momento con Ethernet. Ya en aquel entonces, se estableció la opinión de que el medio de transmisión CSMA/CD (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones) no garantiza ningún ancho de banda seguro. Y eso continuó hasta la transición a IEEE 802.3z.
En cuanto a los modelos generales de aplicación, como pueden ver, con cada generación de Wi-Fi, los escenarios de uso se multiplican, volviéndose cada vez más sensibles a la latencia, al jitter Una vez más sobre el entorno físico
Ahora bien, sobre lo que constituye el nuevo entorno físico. El uso de CSMA/CA y OFDM llevó a que el aumento de puntos activos (Active STA) provocara una disminución significativa en el ancho de banda del canal de 20 megahercios. Esto se debe a lo ya mencionado: a las tecnologías no tan nuevas de STC (Space-Time Coding) y MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, mediante el uso de unidades de recurso, puede interactuar de manera efectiva con estaciones remotas y de baja potencia. Esto nos permite trabajar en una misma banda portadora con usuarios que consumen diferentes volúmenes de recursos. Un usuario puede ocupar una unidad mientras que otro puede ocupar todas las demás.
¿Por qué no había OFDMA antes?
Y por último, la pregunta principal: ¿por qué no había OFDMA antes? Curiosamente, todo se reducía a cuestiones de dinero.
Durante mucho tiempo se consideró que el costo del módulo Wi-Fi debía ser mínimo. Al lanzar el protocolo a uso comercial en 1997, se decidió que el costo de producción de tal módulo no podía superar los $1. Como consecuencia, el desarrollo de la tecnología siguió un camino no óptimo. Aquí no tomamos en cuenta el LTE del operador, donde OFDMA se ha utilizado durante bastante tiempo.
Finalmente, el grupo de trabajo de Wi-Fi decidió tomar estos desarrollos del mundo de los operadores de telecomunicaciones y trasladarlos al mundo de las redes corporativas. La tarea principal fue la transición al uso de elementos de mejor calidad, como filtros y osciladores.
¿Por qué nos resultaba tan difícil trabajar con los antiguos codificadores de MRC, ya fuera con interferencia o sin ella? Porque el mecanismo de formación de haz MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentaba drásticamente el número de errores tan pronto como intentábamos combinar un gran número de puntos de transmisión. OFDMA demostró que el problema era solucionable.
¿Por qué fue tan difícil trabajar con las antiguas codificaciones MRC con o sin interferencia? Porque el mecanismo de formación de haz MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentaba drásticamente el número de errores en cuanto intentábamos combinar un gran número de puntos de transmisión. OFDMA demostró que el problema es solucionable.
La lucha contra la interferencia ahora se basa en la matemática. Si la ventana de transmisión de información es lo suficientemente larga, la interferencia dinámica que surge causa problemas. Los nuevos algoritmos permiten evitar esto, excluyendo no solo la interferencia relacionada con la transmisión Wi-Fi, sino también cualquier otra que ocurra en este rango.
Gracias a la lucha adaptativa contra la interferencia, podemos obtener una ganancia de hasta 11 dB incluso en entornos complejos y no homogéneos. El uso de soluciones algorítmicas propias de Huawei ha permitido lograr una optimización significativa donde más lo necesitamos: en soluciones indoor. Lo que es bueno en 5G no necesariamente es adecuado en un entorno Wi-Fi 6. Los enfoques Massive MIMO y MU-MIMO difieren en el caso de soluciones indoor y outdoor. Donde es necesario, es apropiado utilizar soluciones costosas como en 5G. Pero también se requieren otras opciones, como Wi-Fi 6, capaces de proporcionar latencias y otros indicadores que hemos llegado a esperar de los operadores de telecomunicaciones.
Tomamos prestadas de ellos las herramientas que serán útiles para nosotros como consumidores corporativos, y todo esto para proporcionar un entorno físico en el que se pueda confiar.
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Fuente: habr.com
