Wi-Fi 6 kõige olulisem. Ei, tõsiselt.

Tere.

Kui uskuda Einsteini lihtsuse teooriat, siis on peamine näitaja, et teema mõistmine seisneb ennekõike selles, kui lihtsalt seda suudetakse selgitada. Seetõttu püüan ka selles postituses võimalikult selgelt ja detailselt selgitada, kuidas toimib üksainsam detail uuest standardist, mida isegi Wi-Fi Alliance ei pea vääriliseks mainimist uute Wi-Fi 6 võimekuste infograafikas, kuigi nagu me peagi koos näeme, on see äärmiselt oluline ja tähelepanuväärne. Siin ei ole kõik piisavalt süvitsi uuritud ja kindlasti mitte ammendav (sest sellist elevanti on raske süüa isegi osade kaupa), kuid ma loodan, et minu sõnalistes harjutustes suudame kõik leida midagi uut ja huvitavat.

See, et 802.11ax, mida oleme päeva otsa juba vähemalt teist aastat oodanud, toob endaga kaasa palju uut ja üllatavat. Igaühe ees, kes soovib sellest rääkida, seisab alati valik: kas korraldada ülevaatehüpped, mainides hulgaliselt akronüüme ja lühendeid, püüdes mitte takerduda nende keerukate mehhanismide sügavustesse, või keskenduda ühele asjale, mis autorile enim meeldib. Ma julgen minna veel kaugemale: suurem osa minu märkmeid ei peaks olema isegi mitte uue kohta!

Nii on juba üle kahekümne aasta osa traadita andmesidest ehitatakse 802.11 standardite virna järgi, ja nagu iga enesest lugupidav esineja, peaksin ma veidi taastama kogu sündmuste ajajoone, mis on toonud maailma miljardeid omavahel ühilduvaid seadmeid - aga kui lugupidav autor, julgen ma selle siiski tegemata jätta. Siiski peaksime mõned asjad üksteisele meelde tuletama.

Kõik Wi-Fi iteratsioonid on keskendunud usaldusväärsusele, mitte maksimaalse ribalaiuse saavutamisele. See tuleneb keskkonna juurdepääsumehhanismist (CSMA/CA), mis ei ole kõige optimaalsem viisil viimaste kilobittide väljatõmbamiseks edastuskanalist (rohkem maailmas esinevatest puudustest ja Wi-Fi üle saate lugeda oma endise kolleegi artiklist), skhomm siin), kuid on uskumatult vastupidav praktiliselt igasugustes tingimustes. Tõepoolest, praktiliselt kõiki Wi-Fi võrgu projekteerimise aluseid on võimalik rikkuda — ja sellises võrgus toimub ikkagi andmevahetus! Kogu mehhanism, mille eesmärk on tagada see, mida ingliskeeles nimetatakse sageli raske tõlgitava tehnokraatia võluks, robustness, keskendub sellele, kuidas Wi-Fi võrgu kliendid saavad edastada ja/või vastu võtta oma andmeosakesi. Kogu kihistus, mis katab kõrgendatud modulaarsusi, andmevormingute agregatsiooni (mitte päris nii, aga olgu see nii!) jätkab töötamist pärast kahte peamist põhimõtet 802.11, mis tagavad selle võrreldamatu usaldusväärsuse:

1. „Kui räägib üks — teised vaikivad“;
2. „Kõik, välja arvatud andmed, räägitakse aeglaselt ja arusaadavalt“.

Teine punkt kahjustab võrgu läbilaskevõimet oluliselt rohkem, kui esmapilgul arvata võiks. Siin on suurepärane pilt, mis illustreerib ühte saadetud andmeplokki Wi-Fi võrgus:

Vaatame, mida see tähendab tavalistele inimestele, kes ei tea, kui palju lehti standardis 802.11-2016 on. See andmete edastamise kiirus, mida süsteem näitab traadita võrgu omadustes ja mida turundajad igasuguste tootjate juures päästikutel joonistavad (te kindlasti olete näinud — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), ei ole mitte ainult tipptaseme ja maksimaalne 100% edastamise ajal, vaid see on ka kiirus, millega saadetakse ainult see sinine osa selle ilusast graafikust. Kõik muu edastatakse kiirusel, mida inglise keeles nimetatakse management rate'iks (ja vene keeles samuti, kuna selliste väljendite tõlkimine ähvardab edasist arusaamatust inseneride vahel), ja see on madalam mitte lihtsalt kordades, vaid SADADES näiteks ilma igasuguste lisaseadeteta, võimaldab 802.11ac võrk, mis töötab kliendiga kanalikiirusel 1300 Mbit/s, edastada kogu abiteabe (kõik, mis ei ole sinine meie üha hirmuäratavamas graafikus) haldustaseme 6 Mbit/s. Üle kahetuhande korra aeglasem!

Loogiline küsimus – miks ja millisel kuupäeval võiks selline kahjulik idee üldse standardisse sattuda, mille alusel töötavad miljardid seadmed kogu maailmas? Loogiline vastus – ühilduvus, ühilduvus, ühilduvus! Uusim ligipääsupunkti võrk peab võimaldama töötada kümne- ja isegi viieteistkümne aasta vanustel seadmetel, ja just nende "mitte-siniste" tükkide kaudu edastatakse info, mida vanad aeglased seadmed saavad kuulda, õigesti tõlgendada ja ei püüa ülikiirete andmepakettide ajal omi edastada. Robustsus nõuab ohvreid!

Nüüd olen valmis andma igale huvilisele asendamatud tööriistad, et šokeerida tänapäeva Wi-Fi potentsiaalsete edastusmegabittide seas — see on saanud kohustuslikuks õppeaineks seotud insenerigruppides. WiFi AirTime Calculator Norra entusiasti 802.11 Gjermund Raaeni autor. See on saadaval . Seal on kirjeldatud arhitektuuri — tema töö tulemus näeb välja umbes nii:

Rida 1 — aeg, mis on kulutatud 1512 baitise andmepaketi edastamiseks seadme kaudu 802.11n 20 MHz kanalil.

Rida 2 — aeg, mis on kulutatud sama paketi edastamiseks seadme kaudu sama antennivalemiga, kuid 802.11ac standardit kasutaval 80 MHz kanalil.

Kuidas nii — "rakendatud" neli korda rohkem eetrit, maksimaalne modulaator keerulisem 64QAM-ist 256QAM-ini, kanali kiirus suurem KUUS korda (433 Mb/s asemel 72 Mb/s), ja eetri koormatus on tõusnud vaid 25% võrra?

Ühilduvus ja kaks 802.11 põhimõtet, kas mäletate?

Kuidas siis saaksime parandada sellist ebaõiglust ja raiskamist – küsime me endalt, nagu ilmselt on iga IEEE töörühm küsinud, kui nad alustasid standardi loomist? Tuleb meelde mitu loogilist teed:

1. Kiirendada andmeedastust „rohelises” graafiku osas. Seda tehakse iga standardi väljatöötamisel, kuna suured numbrid näevad karpidel ilusad välja. Praktikas, nagu me just märkisime, toob see lõpuks vaid marginaalset kasu – isegi kui kiirendame kanali kiiruseni sada tuhat miljonit gigabitti nanosekundi kohta, siis ei kao kõik muud osad graafikust kuhugi. Seetõttu soovitan kõigis juttudes uute 802.11 standardite kohta vahele jätta lõigud, kus mainitakse megabitte sekundis.
2. Kiirendada kõiki teisi graafiku osi. Tõepoolest, kui me suudame vähemalt kahekordistada kiirus, millega edastatakse kogu "mitte-roheline" (või "mitte-sinine", kui te ikka veel vaatate eelmist pilti), siis saame peaaegu 50% tõusu tegelikus ribalaiuses — tõsi, see toob kaasa ühilduvuse kaotuse seadmetega ja veel mitmeid nüansse, millest kuulete, kui hakkate valmistuma CWNA eksamiks 🙂 Spoiler: see ei õnnestu alati, seda on targem kaaluda ja mõista, kuhu see viib. Tegelikult on see ühe 802.11 kahe põhimõtte rikkumine, seega tuleb olla väga ettevaatlik!
3. Koguda mitmeid selliseid raame kokku roheliste osadega. Mida pikem on roheline osa, seda efektiivsemalt töötab kanalikiirus. Jah, see on tõepoolest toimiv strateegia, mis ilmus juba 802.11n ja on üks mitmest selle revolutsioonilisuse nurgakivist. Probleem on aga selles, et esiteks, mitmed rakendused ei huvita selline agregatsioon (näiteks see sama näljane Voice over Wi-Fi), ja teiseks, mitmed seadmed ka ei hooli sellest (kord proovisin jagada vähemalt mõnda sellist agreggeeritud raami reaalsetes võrkudes, kus ma töötan, kuid >500k „salvestatud“ kaadris ei olnud neist ainsatki. Tõenäoliselt on probleem minu andmete kogumise metodoloogias, kuid olen valmis seda arutama kellegagi isiklikult!).
4. Rikkuda esimest kahest 802.11 põhimõttest, hakates rääkima, kui keegi teine juba räägib. Ja siin tulebki appi 802.11ax.

Kui tore, et olen lõpuks oma Wi-Fi 6 jutust jõudnud Wi-Fi 6-ni! Kui te seda ikka veel loete, siis kas olete selleks mingil põhjusel sunnitud või olete tõeliselt huvitatud. Noh, kuigi 802.11ax pärib suure osa eelnevatest saavutustest tervest 802.11 perest (ja mitte ainult, muide — mõned ägedad asjad ilmusid isegi 802.16, mida tuntakse WiMAX-ina), on seal siiski ka värskeid ja originaalseid ideid. Tavaliselt seostatakse nende sõnadega selline pilt, mis on saadaval Wi-Fi Alliance'i veebisaidil:

Nagu ma alguses mainisin, saame ühe mugavalt loetava artikli piires käsitleda vaid ühte nendest võtmeelementidest, tegelikult mitte ühtegi pildil toodud (üllatus!). Olen kindel, et olete juba lugenud miljonit kiiret kirjeldust igaüheksast neist kaheksast võtmelemendist, aga mina jätkan oma tüütult pikka juttu OFDMA-st — mitmeüheksasel juurdepääsukontrollist (MU-access control), mis nagu me näeme, ei jõudnud infograafikasse. Kahjuks!

Mitme kasutuselevõtt on see, ilma milleta pole kanalite jagamine aluseksüsteemidel üldse mõtet. Miks proovida erinevaid spektri osi eristada, kui ei ole mehhanismi, mis sunniks uue Wi-Fi 6 võrgu kliente rikkuma ühte senitundmatut reeglit ja rääkima samal ajal? Loomulikult pidi selline mehhanism tekkima ning vähendama "pikkade" probleemide mõju võrreldes teenusinfo andmetega. Kuidas? Väga lihtsalt: las "aeglane" teenus jaguneb nagu varem, aga "kiire" osa, kus liiguvad andmed, edastatakse korraga mitmest (või paarist) seadmest käsu peale! See näeb välja umbes nii:

Tundub keeruline, kuid on tõeliselt lihtne seletada: juurdepääsupunkt, kasutades spetsiaalset raami, mis on arusaadav kõigile (isegi mitte Wi-Fi 6!) seadmetele, teatab, et ta on valmis edastama andmeid samal ajal STA1 ja STA2. Kuna selle raami "pealkiri" on täiesti arusaadav isegi kõige vanematele klientidele, jõuavad nad õigesti järeldusele, et raadiosagedus on teatud aja jooksul hõivatud andmete edastamisega teistele võrgu klientidele ja hakkavad siinjuures aega lugema (nagu alati Wi-Fi-s). Seadmed STA1 ja STA2 aga mõistavad, et neile edastatakse andmeid nüüd uuel viisil, samal ajal, igale oma kanali osas, ning vastavad juurdepääsupunktile samuti samal ajal ning seejärel ajavad nad ka sünkroneeritud viisil raami vastuvõtu kinnitamise (igaühel oma andmeosaga!), ja keskkond vabastatakse jälle. "Alustades alt üles" töötab see umbes samamoodi:

Peamine ja silmatorkav erinevus seisneb juurdepääsupunktis, mis selles olukorras teavitab jaamasid, mis suudavad samal ajal suhelda, millal algatada edastamist, kasutades spetsiaalset raami, mida nimetatakse Triggeriks. See on põhimõtteliselt uus "päästik" kogu mitme samal ajal juurdepääsu mehhanismi jaoks, mis on, minu arvates, üks kõige olulisemaid uuendusi uue standardi "kapoti all". Just selles saavad kliendid "ajakava", kuidas nad jagavad ühte sageduskanalit omavahel; just selles teavitavad kliendid juurdepääsupunkti, et nad on saanud osa oma andmetest ja suudavad neid tõlgendada. Selles teavitab juurdepääsupunkt kõiki, kes saavad samal ajal "suhelda", andmete edastamise algusest — samas käivitab juurdepääsupunkt ka vajalikud andmed. Uus mehhanism Trigger frame lubab põhimõtteliselt vähendada eetris kasutust mitteefektiivselt — ja seda nii efektiivselt, kui palju kliente suudavad seda kasutada ja õigesti tajuda!

Nüüd formuleerime peamised järeldused, mis tulenevad kogu sellest pikast jutust ja pretensioonivad TL;DR:

1. Uue standardi 802.11ax juurdepääsupunktid, toetudes isegi ainult ühele paljusidest uuendustest, hakkavad tõstma kogu võrgu kogutootlikkust juba hetkest, mil täiesti toimiv klientseade on olemas! teine Niipea, kui ilmub vähemalt kaks klienti, kes saavad samal ajal omavahel suhelda, tõstavad nad, eeldades, et kõik muud tingimused jäävad samaks (mul ei ole ühtki põhjust arvata, et kliendi raadiomodulite draivereid kirjutatakse paremini kui varem, seega jääb ka “kasulike” andmete paketihaldus ja paljud muud kliendipõhised funktsioonid endiselt keskmise tasemele), KESKMINE tootlikkus juba tõusma. Seega, kui oled mõelnud uue Wi-Fi võrgu loomisele, on mõistlik kohe kaaluda kõige uuemaid ja parimaid juurdepääsupunkte, sest isegi kui praegu on neile kliente veel vähe – olukord ei jää nii pikaks ajaks.
2. Kõik nipid ja trikid, mis täna häid traadita insenere abistavad, jäävad pikaks ajaks oluliseks — juurdepääsumehhanism keskkonnale on küll uuendatud, rikkudes üle 20 aasta kestnud aluseid põhimõtteid, kuid püsib siiski ühilduvuse peal. Endiselt on vajalik „aeglaste“ haldustasemete (management rates) välistamine (ja endiselt on oluline mõista, miks ja millal), endiselt on vaja õigesti planeerida füüsilist taset, sest ükski mehhanism kanali tasandil ei tööta, kui esinevad probleemid füüsilisel. Lihtsalt on tekkinud võimalus teha veel paremat.
3. Peaaegu kõik Wi-Fi 6 lahendused otsustab juurdepääsupunkt. Nagu näeme, haldab ta klientide ligipääsu keskkonnale, ühendades seadmed omavahel „samade” tööperioodide jooksul. Kui nüüd vaadata veidi kaugemale — TWT töö toimub samuti täielikult juurdepääsupunkti õlgadel. Nüüd peab AP mitte ainult „edastama võrku” ja hoidma liiklust järjekordades, vaid ka pidama arvestust kõigi klientide üle, planeerides, kuidas neid on kasulikum ühte rühma koondada, tuginedes nende läbilaskevõimele ja liiklusohtustele, nende akudele ja veel paljule muule — nimetame seda protsessi „orkestreerimiseks”. Algoritmid, mille alusel juurdepääsupunkt tuleb kõik need otsused teeb, ei ole reguleeritud, mis tähendab, et tõeline kvaliteet ja tootjate struktureeritud lähenemine ilmnevad just orkestreerimise algoritmide väljatöötamisel. Mida täpsemalt punktid suudavad ennustada klientide vajadusi, seda paremini ja ühtlasemalt nad saavad neid rühmadesse koondada — seega, seda efektiivsemalt kasutatakse ookeani ressursse ja seda kõrgem on selle juurdepääsupunkti lõppvõimekus. Algoritm — viimane piir!
4. Üleminek Wi-Fi 5-elt Wi-Fi 6-le on oma olemuselt ja tähtsuselt sama revolutsiooniline nagu üleminek 802.11g-lt 802.11n-le. Siis saime mitme voolu ja koormuse kogumise – nüüd saame samaaegse ligipääsu keskkonnale ning lõpuks ka korralikult toimivad MU-MIMO ja Beamforming (eelkõige, nagu me teame, on need peaaegu sama; teiseks, arutelu "miks MU-MIMO loodi 802.11ac-s, kuid ei suutnud tööle rakenduda" – see on teema eraldi suureks artikliks 🙂 ). Nii 802.11n kui ka Wi-Fi 6 töötavad mõlemal sagedusalal (2,4 GHz ja 5 GHz), erinevalt "vahepealsetest" eelkäijatest – tõeliselt, "kuus on uus neli"!

Veidi selle artikli taustast
Artikkel kirjutati konkurssi jaoks, mida korraldas ettevõte Huawei (alguses oli see avaldatud siit). Suurel määral toetusin selle kirjutamisel oma ettekandele 2019. aastal Peterburis toimunud "Ilma juhtmeta" konverentsil (esitluse salvestust saab vaadata YouTube'is, ainult pidage meeles – helikvaliteet on seal, õigupoolest, üsna kesine, hoolimata video Peterburi päritolust!).

Allikas: habr.com