En sus desarrollos, Huawei confía en Wi-Fi 6. Y las preguntas de colegas y clientes sobre la nueva generación del estándar nos llevaron a escribir una publicación sobre los fundamentos teóricos y los principios físicos que contiene. Pasemos de la historia a la física y veamos en detalle por qué se necesitan las tecnologías OFDMA y MU-MIMO. Hablemos también de cómo un medio físico de transmisión de datos fundamentalmente rediseñado hizo posible lograr una capacidad de canal garantizada y una reducción tal en el nivel general de retrasos que se volvieron comparables a los de un operador. Y esto a pesar de que las redes modernas basadas en 5G son más caras (en promedio, entre 20 y 30 veces) que las redes Wi-Fi 6 interiores con capacidades similares.
Para Huawei, el tema no es en absoluto un tema vano: las soluciones compatibles con Wi-Fi 6 se encuentran entre nuestros productos más innovadores en 2020, en los que se han invertido enormes recursos. He aquí sólo un ejemplo: la investigación en el campo de la ciencia de los materiales nos permitió seleccionar una aleación, cuyo uso en los elementos de radio de un punto de acceso aumentó la relación señal-ruido en 2-3 dB: me quito el sombrero ante Doron Ezri por este logro.
Un poco de historia
Tiene sentido contar la historia de Wi-Fi hasta 1971, cuando en la Universidad de Hawaii, el profesor Norman Abramson y un grupo de colegas desarrollaron, construyeron y lanzaron la red inalámbrica de datos por paquetes ALOHAnet.
En 1980, se aprobó un grupo de estándares y protocolos IEEE 802, que describen la organización de las dos capas inferiores del modelo de red OSI de siete capas. Tuvimos que esperar 802.11 largos años antes del lanzamiento de la primera versión de 17.
Con la adopción del estándar 1997 en 802.11, dos años antes del nacimiento de Wi-Fi Alliance, la primera generación de la tecnología de datos inalámbricos más popular de la actualidad llegó al resto del mundo.
Estándar IEEE 802. Generaciones Wi-Fi
El primer estándar que contó con un amplio respaldo por parte de los fabricantes de equipos fue el 802.11b. Como puede ver, la frecuencia de las innovaciones se ha mantenido bastante estable desde finales del siglo XX: los cambios cualitativos llevan tiempo. En los últimos años se ha trabajado mucho para mejorar el medio físico de transmisión de señales. Para comprender mejor los problemas modernos del Wi-Fi, veamos sus fundamentos físicos.
¡Recordemos lo básico!
Las ondas de radio son un caso especial de ondas electromagnéticas: se propagan desde una fuente de perturbaciones de campos eléctricos y magnéticos. Se caracterizan por tres parámetros principales: el vector de onda, así como los vectores de intensidad del campo eléctrico y magnético. Los tres son mutuamente perpendiculares entre sí. En este caso, la frecuencia de una onda suele denominarse número de oscilaciones repetidas que caben en una unidad de tiempo.
Todos estos son hechos bien conocidos. Sin embargo, para llegar al final, nos vemos obligados a empezar desde el principio.
En la escala convencional de rangos de frecuencia de radiación electromagnética, el rango de radio ocupa la parte más baja (baja frecuencia). Incluye ondas electromagnéticas con una frecuencia de oscilación de 3 Hz a 3000 GHz. Todas las demás bandas, incluida la luz visible, tienen una frecuencia mucho más alta.
Cuanto mayor es la frecuencia, más energía se puede transmitir a la onda de radio, pero al mismo tiempo se desvía menos de los obstáculos y se atenúa más rápido. Lo opuesto también es cierto. Teniendo en cuenta estas características, se seleccionaron dos rangos de frecuencia principales para el funcionamiento de Wi-Fi: 2,4 GHz (banda de frecuencia de 2,4000 a 2,4835 GHz) y 5 GHz (bandas de frecuencia 5,170-5,330, 5,490-5,730 y 5,735-5,835 GHz).
Las ondas de radio se propagan en todas direcciones y, para evitar que los mensajes se influyan entre sí debido al efecto de interferencia, la banda de frecuencia generalmente se divide en secciones estrechas separadas: canales con uno u otro. . El diagrama anterior muestra que los canales adyacentes 1 y 2 con un ancho de banda de 20 MHz interferirán entre sí, pero el 1 y el 6 no.
La señal dentro del canal se transmite mediante una onda de radio a una determinada frecuencia portadora. Para transmitir información, los parámetros de onda pueden ser por frecuencia, amplitud o fase.
Separación de canales en rangos de frecuencia Wi-Fi
El rango de frecuencia de 2,4 GHz se divide en 14 canales parcialmente superpuestos con un ancho óptimo de 20 MHz. Alguna vez se creyó que esto era suficiente para organizar una red inalámbrica compleja. Pronto quedó claro que la capacidad de la gama se estaba agotando rápidamente, por lo que se le añadió la gama de 5 GHz, cuya capacidad espectral es mucho mayor. En él, además de los canales de 20 MHz, es posible asignar canales con un ancho de 40 y 80 MHz.
Para mejorar aún más la eficiencia del uso del espectro de radiofrecuencia, ahora se utiliza ampliamente la tecnología de multiplexación por división de frecuencia ortogonal ().
Se trata de utilizar, junto con la frecuencia portadora, varias frecuencias subportadoras en un mismo canal, lo que permite realizar una transmisión de datos en paralelo. OFDM le permite distribuir el tráfico de una manera "granular" bastante conveniente, pero debido a su venerable antigüedad, conserva una serie de desventajas importantes. Entre ellos se encuentran los principios de funcionamiento mediante el protocolo de red CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Prevention), según el cual sólo un usuario puede trabajar en un operador y subportador en determinados momentos.
Flujos espaciales
Una forma importante de aumentar el rendimiento de la red inalámbrica es mediante el uso de flujos espaciales.
El punto de acceso lleva varios módulos de radio (uno, dos o más), que están conectados a un número determinado de antenas. Estas antenas irradian según un determinado patrón y modulación, y usted y yo recibimos información transmitida a través de un medio inalámbrico. El flujo espacial se puede formar entre una antena física específica (módulo de radio) del punto de acceso y el dispositivo de usuario. Gracias a esto, el volumen total de información transmitida desde el punto de acceso aumenta en un múltiplo del número de flujos (antenas).
Según los estándares actuales, en la banda de 2,4 GHz se pueden implementar hasta cuatro flujos espaciales y en la banda de 5 GHz hasta ocho.
Anteriormente, cuando trabajábamos en las bandas de 2,4 y 5 GHz, nos centrábamos únicamente en la cantidad de módulos de radio. La presencia de un segundo módulo de radio proporcionó flexibilidad adicional, ya que permitió que los dispositivos de abonado antiguos funcionaran a una frecuencia de 2,4 GHz y los nuevos a una frecuencia de 5 GHz. Con la llegada del tercer módulo de radio y posteriores, surgieron algunos problemas. Los elementos radiantes tienden a interferir entre sí, lo que aumenta el coste del dispositivo debido a la necesidad de un mejor diseño y equipamiento del punto de acceso con filtros de compensación. Por eso, sólo recientemente ha sido posible soportar simultáneamente 16 flujos espaciales por punto de acceso.
Velocidad práctica y teórica.
Debido a los mecanismos operativos OFDM, no pudimos obtener el máximo rendimiento de la red. Los cálculos teóricos para la implementación práctica de OFDM se llevaron a cabo hace mucho tiempo y solo en relación con entornos ideales, donde, como era de esperar, se esperaba una relación señal-ruido (SNR) y una tasa de error de bits (BER) bastante altas. En las condiciones modernas de fuerte ruido en todos los espectros de radiofrecuencia que nos interesan, el rendimiento de las redes basadas en OFDM es deprimentemente bajo. Y el protocolo continuó acarreando estas deficiencias hasta hace poco, hasta que la tecnología OFDMA (acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal) vino al rescate. Sobre ella, un poco más.
Hablemos de antenas
Como sabes, cada antena tiene una ganancia, dependiendo de cuyo valor se forma un patrón espacial de propagación de la señal (beamforming) con un área de cobertura determinada (no tenemos en cuenta la re-reflexión de la señal, etc.). Esto es precisamente en lo que los diseñadores siempre han basado su razonamiento sobre dónde deben colocarse exactamente los puntos de acceso. Durante mucho tiempo, la forma del patrón permaneció sin cambios y solo aumentó o disminuyó en proporción a las características de la antena.
Los elementos de antena modernos son cada vez más controlables y permiten cambios dinámicos en el patrón espacial de propagación de la señal en tiempo real.
La figura de arriba a la izquierda muestra el principio de propagación de ondas de radio utilizando una antena omnidireccional estándar. Al aumentar la potencia de la señal, solo pudimos cambiar el radio de cobertura sin la capacidad de influir significativamente en la calidad del uso del canal: KQI (indicadores clave de calidad). Y este indicador es extremadamente importante al organizar las comunicaciones 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 ajustar en tiempo real, formando patrones de propagación dependiendo de la posición espacial del usuario.
Por lo tanto, fue posible acercarse al uso de la tecnología MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Con su ayuda, el punto de acceso genera en cualquier momento flujos de radiación dirigidos específicamente hacia los dispositivos del abonado.
De la física a los estándares 802.11
A medida que evolucionaron los estándares de Wi-Fi, cambiaron los principios de trabajo con la capa física de la red. El uso de otros mecanismos de modulación ha permitido, empezando por las versiones 802.11g/n, encajar una cantidad mucho mayor de información en una franja horaria y, en consecuencia, trabajar con un mayor número de usuarios. Esto se logró, entre otras cosas, mediante el uso de flujos espaciales. Y la nueva flexibilidad en el ancho del canal ha hecho posible generar más recursos para MIMO.
La aprobación del estándar Wi-Fi 7 está prevista para el próximo año ¿Qué cambiará con su llegada? Además del habitual aumento de velocidad y la incorporación de la banda de 6 GHz, será posible trabajar con canales agregados amplios, como por ejemplo 320 MHz. Esto es especialmente interesante en el contexto de aplicaciones industriales.
Rendimiento teórico de Wi-Fi 6
La fórmula teórica para calcular la velocidad nominal de Wi-Fi 6 es bastante compleja y depende de muchos parámetros, empezando por el número de flujos espaciales y terminando con la información que podemos poner en una subportadora (o subportadoras, si hay varias). ellos) por unidad de tiempo.
Como puede ver, mucho depende de los flujos espaciales. Pero antes, un aumento en su número en combinación con el uso de STC (Codificación espacio-temporal) y MRC (Combinación de relación máxima) empeoró el rendimiento de la solución inalámbrica en su conjunto.
Nuevas tecnologías clave de capa física
Pasemos a las tecnologías clave de la capa física y comencemos con la primera capa del modelo de red OSI.
Recordemos que OFDM utiliza un determinado número de subportadoras que, sin afectarse entre sí, son capaces de transmitir una determinada cantidad de información.
En el ejemplo utilizamos la banda de 5,220 GHz, que contiene 48 subcanales. Al agregar este canal, obtenemos una mayor cantidad de subportadoras, cada una de las cuales utiliza su propio esquema de modulación.
Wi-Fi 5 utiliza modulación de amplitud en cuadratura 256 QAM (modulación de amplitud en cuadratura), que le permite formar un campo de 16 x 16 puntos dentro de la frecuencia portadora en un intervalo de tiempo, que difieren en amplitud y fase. El inconveniente es que en un momento dado sólo una estación puede transmitir en la frecuencia portadora.
La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) surgió del mundo de los operadores móviles, se generalizó simultáneamente con LTE y se utiliza para organizar un enlace descendente (canal de comunicación con el suscriptor). Le permite trabajar con el canal al nivel de las llamadas unidades de recursos. Estas unidades ayudan a dividir un bloque en una cantidad específica de componentes. Dentro de un bloque, en cada momento no podemos trabajar estrictamente con un elemento emisor (usuario o punto de acceso), sino combinar decenas de elementos. Esto le permite lograr resultados notables.
Fácil conexión de canales en Wi-Fi 6
La vinculación de canales en Wi-Fi 6 le permite obtener canales combinados con un ancho de 20 a 160 MHz. Además, la conexión no tiene que realizarse en zonas cercanas. Por ejemplo, se puede tomar un bloque de la banda de 5,17 GHz y el segundo de la banda de 5,135 GHz. Esto le permite construir de manera flexible un entorno de radio incluso en presencia de fuertes factores de interferencia o en la proximidad de otras estaciones que emiten constantemente.
De SIMO a MIMO
El método MIMO no siempre ha estado con nosotros. Érase una vez, las comunicaciones móviles tenían que limitarse al modo SIMO, lo que implicaba la presencia de varias antenas en la estación del abonado, trabajando simultáneamente para recibir información.
MU-MIMO está diseñado para transmitir información a los usuarios utilizando todo el parque de antenas actual. Esto elimina las restricciones previamente impuestas por el protocolo CSMA/CA asociado con el envío de tokens a los dispositivos del suscriptor para su transmisión. Ahora los usuarios están unidos en un grupo y cada miembro del grupo recibe su parte del recurso de antena del punto de acceso, en lugar de esperar su turno.
Formación de haces de radio
Una regla importante para el funcionamiento de MU-MIMO es mantener un modo de funcionamiento del conjunto de antenas que no conduzca a una superposición mutua de ondas de radio y pérdida de información debido a la adición de fases.
Esto requiere cálculos matemáticos complejos en el lado del punto de acceso. Si el terminal admite esta función, MU-MIMO le permite indicarle al punto de acceso cuánto tiempo tarda en recibir una señal en cada antena específica. Y el punto de acceso, a su vez, ajusta sus antenas para formar un haz óptimamente dirigido.
¿Qué nos aporta esto en general?
Los círculos blancos con números en la tabla indican escenarios actuales de uso de Wi-Fi de generaciones anteriores. Los círculos azules (ver ilustración arriba) describen las capacidades de Wi-Fi 6, y los grises son una cuestión del futuro cercano.
Los principales beneficios que aportan las nuevas soluciones habilitadas para OFDMA están relacionados con las unidades de recursos implementadas a un nivel similar a TDM (Time Division Multiplexing). Este nunca antes había sido el caso con Wi-Fi. Esto le permite controlar claramente el ancho de banda asignado, asegurando un tiempo mínimo de tránsito de la señal a través del medio y el nivel requerido de confiabilidad. Afortunadamente, nadie duda de que es necesario mejorar los indicadores de confiabilidad de Wi-Fi.
La historia avanza en espiral y la situación actual es similar a la que se desarrolló en torno a Ethernet en algún momento. Ya entonces se consideró que el medio de transmisión CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detección) no proporciona ningún rendimiento garantizado. Y esto continuó hasta la transición a IEEE 802.3z.
En cuanto a los modelos de aplicación generales, como podéis comprobar, con cada generación de Wi-Fi se multiplican sus escenarios de uso, cada vez más sensibles a los retrasos, generales. y confiabilidad.
Y nuevamente sobre el entorno físico.
Bueno, ahora hablemos de cómo se forma el nuevo entorno físico. Cuando se utiliza CSMA/CA y OFDM, un aumento en el número de STA activas provocó una caída importante en el rendimiento del canal de 20 MHz. Esto se debió a lo que ya se mencionó: no a las tecnologías más nuevas STC (Codificación espacio-temporal) y MRC (Combinación de relación máxima).
OFDMA, mediante el uso de unidades de recursos, puede interactuar eficazmente con estaciones de larga distancia y de baja potencia. Tenemos la oportunidad de trabajar en el mismo rango de operadores con usuarios que consumen diferentes cantidades de recursos. Un usuario puede ocupar una unidad y otro, todas las demás.
¿Por qué no existía OFDMA antes?
Y por último, la pregunta principal: ¿por qué no existía OFDMA antes? Curiosamente, todo se redujo al dinero.
Durante mucho tiempo se creyó que el precio de un módulo Wi-Fi debería ser mínimo. Cuando el protocolo se puso en funcionamiento comercial en 1997, se decidió que el coste de producción de dicho módulo no podía exceder de 1 dólar. Como resultado, el desarrollo de la tecnología tomó un camino subóptimo. Aquí no tenemos en cuenta el operador LTE, donde OFDMA se utiliza desde hace bastante tiempo.
Al final, el grupo de trabajo sobre Wi-Fi decidió tomar estos avances del mundo de los operadores de telecomunicaciones y llevarlos al mundo de las redes empresariales. La tarea principal fue la transición al uso de elementos de mayor calidad, como filtros y osciladores.
¿Por qué nos resultó tan difícil trabajar con las antiguas codificaciones MRC con o sin interferencias? Porque el mecanismo de formación de haz MVDR (respuesta sin distorsión de varianza mínima) aumentó drásticamente la cantidad de errores tan pronto como intentamos combinar una gran cantidad de puntos de transmisión. OFDMA ha demostrado que el problema se puede solucionar.
La lucha contra las interferencias se basa ahora en las matemáticas. Si la ventana de transmisión es lo suficientemente larga, la interferencia dinámica resultante causa problemas. Nuevos algoritmos de funcionamiento permiten evitarlas, eliminando la influencia no sólo de las interferencias asociadas a la transmisión Wi-Fi, sino también de cualquier otra que se produzca en este rango.
Gracias a la antiinterferencia adaptativa podemos conseguir ganancias de hasta 11 dB incluso en entornos complejos y heterogéneos. El uso de las soluciones algorítmicas propias de Huawei hizo posible lograr una optimización importante exactamente donde era necesario: en las soluciones de interior. Lo que es bueno en 5G no es necesariamente bueno en un entorno Wi-Fi 6. Los enfoques Massive MIMO y MU-MIMO difieren en el caso de soluciones para interiores y exteriores. Cuando sea necesario, conviene utilizar soluciones costosas, como en el caso del 5G. Pero se necesitan otras opciones, como Wi-Fi 6, que puede ofrecer la latencia y otras métricas que esperamos de los operadores.
Tomamos prestadas de ellos las herramientas que nos serán útiles como consumidores empresariales, todo en un esfuerzo por proporcionar un entorno físico en el que podamos confiar.
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Fuente: habr.com