Mida toob meile Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Hiljuti tulid turule seadmed, mis toetavad Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) tehnoloogiat, millest palju räägitakse. Kuid vähesed teavad, et juba praegu käib järgmise põlvkonna Wi-Fi tehnoloogia — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be) arendamine. Selles artiklis käsitleme, milline Wi-Fi 7 olema hakkab.

Eelalugu

Septembris 2020 tähistame IEEE 802.11 projekti 30. aastapäeva, mis on oluliselt mõjutanud meie elu. Praegu on Wi-Fi tehnoloogia, mida määratlevad IEEE 802.11 standardite perekond, kõige populaarsem traadita tehnoloogia, mida kasutatakse internetiühenduseks: Wi-Fi edastab enam kui poole kasutajate liiklusest. Kuigi mobiiltehnoloogiad teevad ümbernimetamise iga kümne aasta tagant, asendades näiteks 4G nime 5G-ga, toimub Wi-Fi puhul kiirusetõus, samuti uus teenuste ja funktsioonide rakendamine praktiliselt märkamatult. Vaid vähesed kliendid hoolivad tähtedest „n”, „ac” või „ax”, mis järgivad „802.11” seadmete karpidel. Kuid see ei tähenda, et Wi-Fi ei areneks.

Üheks tõendiks Wi-Fi arengust on andmesiirde nominalsete kiirusete järsk tõus: 2 Mbit/s 1997. aasta versioonist peaaegu 10 Gbit/s uuemas 802.11ax standardis, tuntud ka kui Wi-Fi 6. Kaasaegne Wi-Fi saavutab sellise jõudluse kasvu tänu kiirematele signaalikoodeerimistele, laiematele kanalitele ja tehnoloogiatele. MIMO.

Lisaks kõrge signaaliga juhtmeta kohalike võrkude peamisele suunale hõlmab Wi-Fi areng ka mitmeid nišiprojekte. Näiteks on Wi-Fi HaLow (802.11ah) katse viia Wi-Fi juhtmevabade asjade interneti turule. Millimeetrite Wi-Fi (802.11ad/ay) toetab nominalseid andmesiirde kiirusete kuni 275 Gbit/s, kuid väga lühikestel vahemaadel.

Uued rakendused ja teenused, mis on seotud kõrge eraldusvõimega videovoogude, virtuaalse ja liitreaalsuse, mängude, kaugtöö ja pilvearvutusega, ning vajadus toetada suurt hulka kasutajaid intensiivse liiklusega juhtmevabades võrkudes nõuavad kõrget jõudlust.

Wi-Fi 7 eesmärgid

2019. aasta mais alustas 802.11 standardite töörühma BE (TGbe) alagrupp uue Wi-Fi standardi täiendusega, mis suurendab nimetatud läbilaskevõimet rohkem kui 40 Gbit/s ühes sageduskanalis, mis on 'tüüpiline' Wi-Fi sageduse vahemikus ≤ 7 GHz. Kuigi paljudes dokumentides mainitakse 'maksimaalne läbilaskevõime vähemalt 30 Gbit/s', tagab uus füüsikatasandi protokoll nimetatud kiirusest üle 40 Gbit/s.

Veel üks oluline suund Wi-Fi 7 arenduses on reaalajas rakenduste tugi (mängud, virtuaalne ja lisareality, robotite juhtimine). Uudne on see, et kuigi Wi-Fi teenindab eriliselt helivahetust ja videovahetust, on kaua aega arvatud, et väikeste latentsuste (millisekundite ulatuses) saavutamine standardi tasemel, tuntud kui ajast sõltuv võrguvõrk, Wi-Fi võrkudes põhimõtteliselt võimatu. Novembris 2017 tegi meie meeskond IPII RAN ja HSE (ärge pidage seda PR-iks) vastava ettepaneku IEEE 802.11 grupile. Ettepanek äratas suurt huvi ning juulis 2018 loodi spetsiaalne alamgrupp, et seda küsimust edasi arendada. Kuna reaalajas rakenduste toetamiseks on vajalikud nii kõrged nominaalsed andmeedastuskiirus kui ka kanalitasandi funktsionaalsuse ulatuse laiendamine, otsustas 802.11 töörühm arendada meetodeid reaalajas rakenduste toetamiseks Wi-Fi 7 raames.

Oluline küsimus, mis on seotud Wi-Fi 7-ga, on selle kooseksisteerimine mobiilivõrgu tehnoloogiatega (4G/5G), mida arendab 3GPP ning mis töötavad samades mittetagasiteenindatavates sagedusvahemikes. Räägime LTE-LAA/NR-U-st. Wi-Fi ja mobiilivõrkude kooseksisteerimise probleemide uurimiseks käivitas IEEE 802.11 Coexisting Standing Committee (Coex SC). Vaatamata paljudele kohtumistele ja isegi 3GPP ja IEEE 802.11 liikmete ühisele seminarile 2019. aasta juulis Viinis, ei ole tehnilised lahendused veel kinnitatud. Üks võimalik seletus sellisele viljatusele on see, et nii IEEE 802 kui ka 3GPP ei soovi muuta oma tehnoloogiaid, et need üksteisega kooskõlla viia. Seega, hetkel ei ole selge, kas Coex SC raames toimuvad arutelud mõjutavad Wi-Fi 7 standardit.

Arendusprotsess

Kuigi Wi-Fi 7 arendusprotsess on alles algusjärgus, on seni esitatud umbes 500 ettepanekut uue funktsionaalsuse kohta tuleviku Wi-Fi 7, tuntud ka kui IEEE 802.11be. Enamik ideedest on alles be-alagrupis arutamisel ning otsuseid nende osas ei ole veel vastu võetud. Teised ideed on hiljuti heaks kiidetud. Allpool on selgelt märgitud, millised ettepanekud on heaks kiidetud ja millised on ainult arutamisel.

Esialgu oli plaanis, et peamiste uute mehhanismide arendus lõpetatakse 2021. aasta märtsiks. Lõplik standard ootab valmimist 2024. aasta alguseks. 2020. aasta jaanuaris väljendas alagrupp 11be muret, et kas arendustööd suudavad praeguse töötempoga ajakavale vastata. Standardi arenduse kiirendamiseks nõustus alagrupp valima väikese kõrge prioriteediga funktsioonide kogumi, mis võiksid tulla välja 2021. aastaks (Release 1), samas kui ülejäänud jäetakse Release 2-ks. Kõrge prioriteediga funktsioonid peaksid tagama peamise jõudluse kasvu ja hõlmavad 320 MHz, 4K-QAM, Wi-Fi 6-st tuntud OFDMA täiustusi ning MU-MIMO 16 vooluga.

Koroonaviiruse tõttu ei kogu grupp praegu kohapeal, kuid korraldab regulaarselt videokonferences. Seega, areng on veidi aeglustunud, kuid ei ole peatunud.

Tehnoloogia üksikasjad

Vaatame Wi-Fi 7 peamisi uuendusi.

1. Uus füüsikakihi protokoll on edasiarendus Wi-Fi 6 protokollist, mis pakub kahekordset lairibalaine laiust 320 MHz, kahekordset arvu MU-MIMO ruumilisi vooge, , mis suurendab nominaalset läbilaskevõimet 2×2 = 4 korda. Wi-Fi 7 hakkab samuti kasutama modulaatsiooni4K-QAM , mis lisab veel 20% nominaalsele läbilaskevõimele. Seega tagab Wi-Fi 7 nominaalse andmeedastuse kiirus 2x2x1,2 = 4,8 korda kõrgem võrreldes Wi-Fi 6-ga: Wi-Fi 7 maksimaalne nominaalne läbilaskevõime on 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Samuti toimub revolutsiooniline muudatus füüsikakihi protokollis, mis tagab ühilduvuse tulevaste Wi-Fi versioonidega, kuid see jääb kasutajatele märkamatuks., mis lisab 20% nimelisele läbilaskevõimele. Seega tagab Wi-Fi 7 andmeedastuskiirus 2x2x1,2 = 4,8 korda kõrgema võrreldes Wi-Fi 6-ga: Wi-Fi 7 maksimaalne nimiline läbilaskevõime on 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Lisaks toimub revolutsiooniline muudatus füüsilise taseme protokollis, mis tagab ühilduvuse tulevaste Wi-Fi versioonidega, kuid see jääb kasutajatele märkamatuks.
2. Kanali juurdepääsumeetodi muutmine, et toetada reaalajas rakendusi arvestatakse IEEE 802 TSN kogemust, et korraldada juhtmega võrgud. Standardimiskomitee jätkab arutelusid, mis puudutavad juhuslikku viivitust kanalile juurdepääsu, teenuse liikide ja seega ka reaalajas liiklusele eraldi järjekordade loomist ning pakettide teenindamise poliitikaid.
3. Tutvustatakse Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA on aegade ja sageduse põhine juurdepääsu meetod (sarnane sellele, mida kasutatakse 4G ja 5G võrkudes), mis pakub uusi võimalusi ressursside optimaalseks jaotamiseks. Siiski ei ole OFDMA 11ax piisavalt paindlik. Esiteks võimaldab see juurdepääsupunktil eraldada kliendiseadmest vaid ühe eelnevalt määratletud suurusega ressursi bloki. Teiseks ei toeta see otsest edastamist kliendijaamade vahel. Mõlemad puudused vähendavad spektritõhusust. Lisaks halvendab Wi-Fi 6 pärandina saama OFDMA paindlikkuse puudumine jõudlust tihedates võrkudes ja suurendab viivitust, mis on kriitilise tähtsusega reaalajas rakendustes. 11be lahendab need OFDMA probleemid.
4. Üks Wi-Fi 7 heakskiidetud revolutsioonilisest uuendusest on sisseehitatud tugi mitme paralleelse ühenduse samaaegseks kasutamiseks erinevatel sagedustel, mis on äärmiselt kasulik nii tohutute andmeedastuskiiruste kui ka erakordselt madala latentsuse saavutamiseks. Kuigi tänapäevased kiibid suudavad juba samal ajal kasutada mitmeid ühendusi, näiteks 2,4 ja 5 GHz sagedusalades, on need ühendused omavahel sõltumatud, mis piirab sellise toimingu efektiivsust. 11be-s leitakse selline kanalitevaheline sünkroonimine, mis võimaldab kanalite ressursse tõhusalt kasutada ja toob kaasa märkimisväärseid muutusi kanalile juurdepääsu protokollide reeglites.
5. Väga laiad kanalid ja suur hulk ruumilisi vooge toovad esile kõrged kulud, mis on seotud kanalihinna hindamisprotseduuriga, mis on vajalik MIMO ja OFDMA jaoks. Need kulud nullivad kogu saadud kasu nominaalkiirusest. Oodatakse, et kanalihinna hindamisprotseduur vaadatakse üle.
6. Wi-Fi 7 kontekstis arutatakse standardimiskomitees erinevate "edukate" andmeedastuse meetodite kasutamist. Teoreetiliselt suurendavad need meetodid spektraalset efektiivsust nii edastuste korduvatel katsetel kui ka samaaegsetel edastustel samas või vastassuunas. Jutt on hübriidauto kordumise taotlemisest (HARQ), mida kasutatakse mobiilivõrkudes, full-duplex režiimist ning mitteortogonaalsest mitme ligipääsu (NOMA) meetodist. Need meetodid on teoreetiliselt hästi uuritud, kuid hetkel ei ole selge, kas nende rakendamiseks vajalikud jõupingutused kompenseerivad nende poolt tagatud jõudluse kasvu.
   • Kasutamine HARQ on keeruline järgmise probleemiga. Wi-Fi-s, et vähendada kulusid, kleebitakse paketid kokku. Praegustes Wi-Fi versioonides kinnitatakse iga paketi kohaletoimetamine ühendatud olekus ja kui kinnitust ei tule, paketi edastamine kordub kanalile juurdepääsu protokolli meetoditega. HARQ kannab korduse katsed kanal tasemelt füüsilisele tasemele, kus pakette enam ei ole, vaid on koodisõnad, ning koodisõnade piirid ei ühti pakettide piiridega. Selline desünkroniseerimine muudab HARQ rakendamise Wi-Fi-s keeruliseks.
   • As for Full-Duplex, siis ei saa praegu ei mobiilivõrkudes ega WiFi-võrkudes samal sageduskanalil andmeid edastada ja vastuvõtmiseks samal ajal juurdepääsupunkti (baasjaama) ja sellest. Tehnilisest küljest on see seotud edastatava ja vastuvõetava signaali võimekuse suure erinevusega. Kuigi eksisteerivad prototüübid, mis ühendavad digitaalse ja analoogse signaali vähendamise, mis suudavad WiFi-signaali vastu võtta oma edastamise ajal, võib praktikas saavutatud kasu olla väike, kuna igal ajahetkel ei ole allavoolu voog võrdsed ülesvoolu omaga (keskmiselt “haiglas” on allavoolu voog oluliselt suurem). Selline kahepoolne edastus keerukaks protokolli.
   • Kui MIMO kasutamiseks on vaja saata mitut voogu, peab saatjal ja vastuvõtjal olema mitu antenni, siis mitte-ortogonaalse ligipääsu korral võib juurdepääsupunkt sama antenniga edastada andmeid kahele vastuvõtjale samal ajal. Mitmed mitte-ortogonaalse ligipääsu variandid on lisatud 5G viimastes spetsifikatsioonides. Prototüüp NOMA Wi-Fi loodi 2018. aastal RAN-i IPIPIs. See näitas 30–40% jõudluse kasvu. Arendatud tehnoloogia eelised hõlmavad tagasipöördumist: üks kahest vastuvõtjast võib olla vananenud seade, mis ei toeta Wi-Fi 7. Üldiselt on tagasipöördumise probleem väga oluline, kuna Wi-Fi võrgus võivad üheaegselt töötada erinevate põlvkondade seadmed. Praegu analüüsivad mitmed meeskonnad maailmas NOMA ja MU-MIMO ühiselt kasutamise tõhusust, mille tulemused määravad selle lähenemise tuleviku. Me jätkame ka prototüübiga töötamist: järgmine versioon esitatakse IEEE INFOCOMi konverentsil 2020. aasta juulis.
7. Lõpuks on veel üks oluline uuendus, kuid ebamugava tulevikuga, koordineeritud juurdepääsupunktide töö. Kuigi paljusid teenusepakkujaid on oma kesksetel kontrolleritel ettevõtte Wi-Fi võrkude jaoks, on nende kontrollerite võimed enamasti piirdunud pikaajaliste seadistuste seadistamise ja kanali valimisega. Standardimiskomitee arutab tihedamat koostööd naaberjuurdepääsupunktide vahel, mis hõlmab koordineeritud edastamist, beamforming (suunatud signaali edastamine) ja isegi jaotatud MIMO-süsteeme. Mõned arutatavad lähenemised kasutavad järjestikku häirete summutamist (umbes sama, mis NOMA-s). Kuigi 11be koordineerimise lähenemised on veel välja töötamata, ei ole kahtlust, et standard võimaldab erinevate tootjate juurdepääsupunktidel koordineerida üksteisega edastamise ajakava, et vähendada vastastikust sekkumist. Mis puutub teistesse, keerukamatesse lähenemistesse (nt jaotatud MU-MIMO), siis nende integreerimine standardisse on keerulisem, kuigi rühma üksikud liikmed on valmid selle saavutamiseks Release 2 raames. Olenemata tulemusest on juurdepääsupunktide koordineerimise meetodite saatus ebamugav. Isegi standardisse kaasatuna ei pruugi need turule jõuda. Midagi sarnast on juhtunud ka varasemate katsete käigus korrastada Wi-Fi edastusi selliste lahendustega nagu HCCA (11e) ja HCCA TXOP Negotiate (11be).

Kokkuvõttes näib, et enamik ettepanekutest, mis on seotud viie esimest rühmaga, saavad osa Wi-Fi 7-st, samas kui kahe viimase rühma ettepanekud vajavad tõhususe tõendamiseks olulisi täiendavaid uuringuid.

Rohkem tehnilisi üksikasju

Wi-Fi 7 kohta tehnilisi üksikasju saab lugeda siit (inglise keeles)

Allikas: habr.com