Hola.
Si creemos en la teoría de la simplicidad de Einstein, que el principal indicador de la comprensión de un tema es la capacidad de explicarlo de manera sencilla, en esta publicación intentaré explicar de la manera más clara y detallada el funcionamiento de solo una pieza del nuevo estándar, que por alguna razón incluso la Wi-Fi Alliance considera no digna de mención en la infografía sobre las nuevas capacidades del Wi-Fi 6, aunque, como pronto comprobamos juntos, es muy importante y notable. Aquí no todo está suficientemente profundo y ciertamente no es exhaustivo (porque es difícil abordar un tema tan grande incluso en partes), pero espero que todos obtengamos algo nuevo e interesante de mis reflexiones verbales.
Ese mismo 802.11ax que hemos estado esperando día a día durante al menos dos años, trae consigo muchas novedades y sorpresas. Frente a cada persona que quiere contar algo al respecto, siempre surge la elección: hacer saltos generales mencionando un montón de abreviaturas y acrónimos, tratando de no quedar atrapado en los complejos mecanismos detrás de cada uno de ellos, o dedicar una hora a hablar sobre algo que le resulte más agradable al autor. Me atreveré a ir aún más allá: la mayor parte de mi nota se dedicará incluso a lo que no es nuevo.
Así que, durante más de veinte años, una parte de las redes inalámbricas de transmisión de datos se ha construido sobre un cúmulo de estándares de la familia 802.11, y, como cualquier presentador que se respete, debería haber reconstruido un poco la línea de tiempo de toda la cadena de eventos que ha dado al mundo miles de millones de dispositivos compatibles entre sí, pero, como un autor que respeta a sus lectores, me arriesgaré a no hacerlo. Sin embargo, debería recordárselos a ustedes.
Todas las iteraciones de Wi-Fi han priorizado la confiabilidad, pero no la maximización del ancho de banda. Esto se deriva del mecanismo de acceso al medio (CSMA/CA), que no es el más óptimo para obtener los últimos kilobits por segundo de un medio de transmisión (se puede leer más sobre las imperfecciones del mundo en general y del Wi-Fi en particular en el artículo de mi antiguo colega ), pero increíblemente resistente en prácticamente cualquier condición. De hecho, se pueden romper casi todos los principios de diseño de redes Wi-Fi, ¡y aún así la transferencia de datos seguirá funcionando! Todo el mecanismo que permite a los clientes de la red Wi-Fi transmitir y/o recibir sus porciones de datos está enfocado en lo que en inglés se llama 'robustness', una palabra difícil de traducir relacionada con la tecnocracia. Todo el nivel de modulación aumentada, la agregación de tramas de datos (no exactamente así, pero dejémoslo así) sigue funcionando después de los dos principios básicos del 802.11, que aseguran esta incomparable fiabilidad:
- “Mientras uno habla, los demás callan”;
- “Todo, excepto los datos, se dice lenta y claramente”.
El segundo punto causa mucho más daño a la capacidad de la red de lo que podría parecer a primera vista. Aquí hay una imagen interesante que ilustra un paquete de datos enviado en una red Wi-Fi:
Vamos a analizar qué significa esto para la gente común que no sabe cuántas páginas hay en el estándar 802.11-2016. La velocidad de transmisión de datos que el sistema muestra en las propiedades de la red inalámbrica y que los comercializadores de cualquier fabricante pintan en las cajas de los puntos de acceso (bueno, seguramente lo han visto — ¡1,7 Gb/s! ¡2,4 Gb/s! ¡9000 Gb/s!), no solo es máxima y se alcanza en un 100% de tiempo ocupado en la transmisión, sino que también es la velocidad a la que solo se enviará la parte azul de este bonito gráfico. Todo lo demás se enviará a una velocidad que en inglés se llama 'management rate' (y también en ruso, porque traducir tales expresiones podría dar lugar a malentendidos entre ingenieros) y que es inferior, no solo por mucho, sino por CIENTOS de veces. Por ejemplo, sin configuraciones adicionales, una red en 802.11ac, que puede funcionar con clientes a una velocidad de canal de 1300 Mb/s, transmite toda la información de servicio (todo lo que no es azul en nuestro cada vez más aterrador gráfico) a una 'management rate' de 6 Mb/s. ¡Más de doscientos veces más lento!
La pregunta lógica es: ¿qué fecha y de qué mes podría haber llegado una idea tan perjudicial a la norma que rige miles de millones de dispositivos en todo el mundo? La respuesta lógica es: ¡compatibilidad, compatibilidad, compatibilidad! Una red en el punto de acceso más reciente debe permitir el funcionamiento de dispositivos de diez e incluso quince años, y es en todos esos fragmentos “no azules” donde vuela la información, que los dispositivos antiguos y lentos recibirán, entenderán correctamente y no intentarán transmitir la suya durante los rápidos fragmentos de datos. ¡La robustez exige sacrificios!
Ahora estoy listo para ofrecer a todos los interesados una herramienta indispensable para asustarse por los megabits que se pierden sin rumbo en el Wi-Fi moderno; esto se ha convertido ya en un estudio obligatorio en los círculos de ingeniería. El Calculador de Tiempo de Aire WiFi del entusiasta noruego de 802.11 Gjermund Raaen. Está disponible en — el resultado de su trabajo se ve aproximadamente así:
Fila 1: el tiempo tomado para transmitir un paquete de datos de 1512 bytes por un dispositivo 802.11n en un ancho de banda de 20 MHz.
Fila 2: el tiempo tomado para transmitir el mismo paquete por un dispositivo con la misma fórmula de antena, pero que opera ya bajo el estándar 802.11ac en un canal de 80 MHz.
¿Cómo es posible que se “estropee” cuatro veces más espectro, que la modulación máxima se complique de 64QAM a 256QAM, y que la velocidad del canal sea mayor en SEIS veces (433 Mb/s en vez de 72 Mb/s), y sólo se gane un 25% del tiempo de ocupación del espectro?
¿Recuerdas la compatibilidad y los dos principios de 802.11?
Bien, ¿cómo podemos corregir tal injusticia y derroche? Nos preguntamos, como probablemente se preguntó cada grupo de trabajo de IEEE que comenzó a crear el estándar. Se me vienen a la mente varios caminos lógicos:
- Acelerar la transmisión de datos en el fragmento “verde” del gráfico. Esto se hace con cada nuevo estándar, porque los números grandes lucen bien en las cajas. En la práctica, como acabamos de notar, proporciona un aumento final: incluso si aceleramos la velocidad del canal a cien mil millones de gigabits por nanosegundo, todas las demás partes del gráfico no desaparecerán. Por eso recomiendo, en todos los relatos sobre los nuevos estándares 802.11, omitir los párrafos que mencionan megabits por segundo.
- Acelerar todas las demás partes del gráfico. De hecho, si al menos duplicamos la velocidad a la que se transmite todo lo "no verde" (bueno, o "no azul", si todavía estás mirando la imagen anterior), obtendremos un poco menos del 50% de aumento en la capacidad real de transmisión, aunque sacrificando la compatibilidad con los dispositivos y con una serie de otros matices que conocerás cuando te prepares para el examen para el orgulloso título de CWNA 🙂 Spoiler: no siempre se podrá hacer esto, es necesario reflexionar mucho y entender a dónde conducirá. De hecho, esto viola uno de los dos principios de 802.11, así que hay que tener mucho cuidado con eso.
- Unir varios de estos marcos con partes verdes. Cuanto más larga sea la parte verde, más eficaz será el aumento de la velocidad de canal. Sí, esta es una estrategia bastante válida, que apareció en 802.11n y que es una de las varias piedras angulares de su revolución. El problema es que, en primer lugar, a varias aplicaciones no les importa en absoluto tal agregación (por ejemplo, ese sanguinario Voice over Wi-Fi), y, en segundo lugar, a varios dispositivos tampoco les importa (intenté capturar al menos algunos de esos marcos agregados en una red real de la empresa donde trabajo, pero de más de 500,000 "paquetes" agregados, exactamente cero. Muy probablemente, el problema está en mi metodología de recolección de datos, pero estoy dispuesto a discutirlo con cualquiera que lo desee en una conversación privada).
- Violar el primer de los dos principios de 802.11, comenzando a hablar cuando alguien más está hablando. Y aquí es donde, de hecho, 802.11ax viene en ayuda.
¡Qué bien, finalmente he llegado a Wi-Fi 6 en mi relato! Si todavía estás leyendo esto, es porque o bien tienes que hacerlo por alguna razón, o realmente te interesa. Así que, aunque 802.11ax hereda gran parte de los desarrollos anteriores de toda la familia 802.11 (y no solo eso, algunas cosas geniales aparecieron en 802.16, que también es WiMAX), hay algunas cosas que en él son frescas y originales. Normalmente, al mencionar esto, se presenta una imagen como esta, disponible en el sitio de Wi-Fi Alliance:
Como mencioné desde el principio, solo podremos abordar uno de estos puntos clave en un artículo legible, o más bien, ninguno de los que aparecen en la imagen (¡sorpresa!). Estoy seguro de que ya has leído millones de descripciones rápidas de cada uno de estos ocho elementos clave, así que continuaré con mi largo y tedioso relato sobre lo que implica OFDMA: el control de acceso múltiple al medio (MU-access control), que, como podemos ver, no aparece en la infografía. ¡Y eso es un gran error!
El acceso múltiple es fundamental, sin él la división del canal en subportadoras carece de sentido. ¿Para qué intentar observar diferentes fragmentos del espectro si no hay un mecanismo capaz de hacer que los clientes de la nueva red Wi-Fi 6 rompan una de las reglas inquebrantables y comiencen a comunicarse simultáneamente? Y, por supuesto, este mecanismo tenía que aparecer y reducir el impacto del problema del “tiempo de espera” en comparación con la información de control. ¿Cómo? Muy simple: dejemos que la parte “lenta”, la parte de control, se envíe como antes, mientras que la parte “rápida”, donde viajan los datos, la enviaremos simultáneamente desde varios (o múltiples) dispositivos a la vez.
Parece complicado, pero en esencia es bastante fácil de explicar: el punto de acceso, mediante un marco especial comprensible para todos (¡incluso para dispositivos que no son Wi-Fi 6!), indica que está listo para transmitir datos simultáneamente a STA1 y STA2. Dado que el “encabezado” de este marco es completamente comprensible incluso para clientes muy antiguos, ellos deducen correctamente que el medio estará ocupado durante un tiempo determinado transmitiendo información a otros clientes de la red y comienzan a contar el tiempo hasta que finalice este periodo (como siempre en Wi-Fi). Por otro lado, los dispositivos STA1 y STA2 comprenden que ahora se les enviarán datos de una nueva manera, de forma simultánea, cada uno en su propio segmento del canal, y responden al punto de acceso también simultáneamente, y luego confirman la recepción del marco de manera sincrónica (cada uno con su porción de datos), liberando de nuevo el medio. Funciona de manera similar “de abajo hacia arriba”:
La principal y obvia diferencia es que el punto de acceso, en esta situación, comunica a las estaciones que pueden hablar al mismo tiempo cuándo iniciar la transmisión, mediante un marco especial que se llama Trigger. Este, en esencia, es un nuevo "disparador" de todo el mecanismo de acceso múltiple simultáneo al medio, que, a mi modesto parecer, es una de las innovaciones más importantes "bajo el capó" del nuevo estándar. Es precisamente en él donde los clientes reciben un "horario" sobre cómo compartir un canal de frecuencia; es donde los clientes comunican al punto de acceso que han recibido sus porciones de datos y han podido procesarlas. En él, el punto de acceso notifica a todos aquellos que pueden "hablar" simultáneamente el comienzo de la transmisión de datos; y también es allí donde el punto de acceso inicia el envío de los datos requeridos. El nuevo mecanismo Trigger frame, en esencia, permite reducir el uso irracional del espectro; y tan eficientemente como muchos clientes pueden utilizarlo y procesarlo correctamente.
Ahora formularemos los principales puntos que se derivan de toda esta larga historia y que pretenden ser un TL;DR:
- Los puntos de acceso del nuevo estándar 802.11ax, incluso basándose solo en una de las muchas innovaciones, comenzarán a aumentar la capacidad total de toda la red ya con un dispositivo cliente compatible. segundo ¡Tan pronto como aparezcan al menos dos clientes que puedan hablar simultáneamente, bajo otras condiciones iguales (no tengo razones para suponer que los controladores para los módulos de radio de los clientes se escribirán mejor que antes, lo que significa que la agregación de partes "útiles" de los marcos, y muchas otras funciones dependientes del cliente seguirán, en promedio, sin grandes mejoras) ya aumentarán la capacidad promedio! Así que si estás pensando en una nueva red Wi-Fi, vale la pena considerar desde ya los puntos de acceso más nuevos y mejores, porque incluso si actualmente hay pocos clientes para ellos, esta situación no durará mucho.
- Todos los trucos y artimañas que hoy tienen los buenos ingenieros inalámbricos seguirán siendo relevantes por mucho tiempo; el mecanismo de acceso al medio ha sido actualizado, rompiendo principios fundamentales que habían perdurado durante más de 20 años, pero aún mantiene la compatibilidad como su prioridad. Aún es necesario filtrar las "tasas de gestión lentas" (y sigue siendo importante entender por qué y cuándo), se debe planificar correctamente el nivel físico, ya que ningún mecanismo en el nivel de enlace funcionará si hay problemas en el nivel físico. Simplemente, ahora hay la posibilidad de hacer aún mejor.
- Casi todas las decisiones en Wi-Fi 6 son tomadas por el punto de acceso. Como vemos, gestiona el acceso de los clientes al medio, reuniendo dispositivos en "períodos" de trabajo simultáneo. Alejándonos un poco más, el trabajo de TWT también recae completamente en el punto de acceso. Ahora, este debe no solo "transmitir la red" y almacenar el tráfico en colas, sino también llevar un registro de todos los clientes, planificando cómo agruparlos de manera más eficiente en base a sus capacidades de transmisión y necesidades de tráfico, sus baterías y mucho más; yo llamo a este proceso "orquestación". Los algoritmos según los cuales el punto de acceso tomará todas estas decisiones no están regulados, lo que significa que la verdadera calidad y enfoque estructural de los fabricantes se manifestarán precisamente en el desarrollo de algoritmos de orquestación. Cuanto más precisos sean los puntos en prever las necesidades de los clientes, mejor y de manera más uniforme podrán agruparlos en grupos de acceso múltiple; en consecuencia, se utilizarán de manera más eficiente los recursos del espectro y mayor será el rendimiento total de dicho punto de acceso. ¡El algoritmo es el último fronterizo!
- La transición de Wi-Fi 5 a Wi-Fi 6 es, en esencia e importancia, tan revolucionaria como el paso de 802.11g a 802.11n. En aquel entonces, obtuvimos el acceso múltiple y la agregación de 'carga útil'; ahora obtenemos acceso simultáneo al medio y, por fin, el funcionamiento efectivo de MU-MIMO y Beamforming (en primer lugar, como sabemos, son casi lo mismo; en segundo lugar, la discusión sobre 'por qué se ideó MU-MIMO en 802.11ac, pero no se pudo hacer funcionar' es un tema para otro extenso artículo 🙂 ). Tanto 802.11n como Wi-Fi 6 operan en ambas bandas (2.4 GHz y 5 GHz), a diferencia de los predecesores 'intermedios'; verdaderamente, ¡'seis es el nuevo cuatro'!
Un poco sobre los orígenes de este artículo
Este artículo fue escrito para un concurso que organizó la empresa Huawei (se publicó originalmente ). En gran medida, me apoyé en mi propia presentación en la conferencia 'Inalámbricos', que se celebró en 2019 en San Petersburgo (se puede ver la grabación de la presentación , pero tenga en cuenta que el sonido no es el mejor, a pesar del origen de San Petersburgo del video!).
Fuente: habr.com
