🥇Mida me ootame Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Hiljuti tulid turule seadmed, mis toetavad Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) tehnoloogiat, millest on palju räägitud. Kuid vähesed teavad, et praegu käib uue põlvkonna Wi-Fi tehnoloogia arendus — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Milline on Wi-Fi 7, sellest räägime selles artiklis.

Eellugu

Septembris 2020 tähistame me 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 kasutaja liiklusest. Kui mobiilitehnoloogiad lähevad brändingule iga kümne aasta tagant, asendades näiteks nime 4G 5G-ga, siis Wi-Fi kasutajate jaoks toimub andmeedastuse kiirus tõus ning uute teenuste ja funktsioonide juurutamine peaaegu märkamatult. Vähesed kliendid hoolivad “n”, “ac” või “ax” tähtedest, mis järgivad “802.11” seadmete pakenditel. Kuid see ei tähenda, et Wi-Fi ei areneks.

Üks Wi-Fi arengu tõendeid on andmeedastuskiirusede järsk tõus: 2 Mbit/s versioonis 1997 kuni peaaegu 10 Gbit/s uusimas standardis 802.11ax, tuntud ka kui Wi-Fi 6. Kaasaegne Wi-Fi saavutab sellise jõudluse tõusu tänu kiirematele signaali kodeerimisstruktuuridele, laiematele kanalitele ja tehnoloogiatele. MIMO.

Lisaks peamisele suundumusele kiirete traadita kohalike võrkude osas hõlmab Wi-Fi evolutsioon mitmeid nišiprojekte. Näiteks on Wi-Fi HaLow (802.11ah) katse viia Wi-Fi traadita asjade Interneti turule. Millimeetri lainete Wi-Fi (802.11ad/ay) toetab andmeedastuskiirus, mis ulatub kuni 275 Gbit/s, kuigi väga lühikeste vahemaade puhul.

Uued rakendused ja teenused, mis on seotud kõrge eraldusvõimega videovoogudega, virtuaal- ja liitreaalsusega, mängudega, kaugkontoriga ja pilvetehnoloogiaga, samuti vajadus toetada suurt hulka kasutajaid, kellel on intensiivne liiklus traadita võrkudes, nõuavad kõrget jõudlust.

Wi-Fi 7 eesmärgid

2019. aasta mai kuus alustas 802.11 standardimise alase töörühma BE (TGbe) alagrupp tööd uue täiendi kallal Wi-Fi standardile, mis suurendab nimivõimsust enam kui 40 Gbit/s ühes sageduskanalis, mis on «tüüpiline» Wi-Fi vahemikus <= 7 GHz. Kuigi paljudes dokumentides esitatakse «maksimaalne võimekus vähemalt 30 Gbit/s», tagab uus füüsikalise tasandi protokoll nimikiirusena üle 40 Gbit/s.

Veel üks oluline suund Wi-Fi 7 arenduses on reaalaja rakenduste toetamine (mängud, virtuaal- ja liitreaalsus, robootika juhtimine). Huvi pakub see, et kuigi Wi-Fi teenindab erilisel viisil heli- ja videoliiklust, on pikka aega peetud võimatuks tagada garantitud madalat latentsust (mõne millisekundi ulatuses) standardtasemel, mida tuntakse kui Time-Sensitive Networking, Wi-Fi võrkudes. 2017. aasta novembris esitas meie kollektiiv IPPI RAN-ist ja HSE-st (ärge võtke seda reklaamina) vastava ettepaneku IEEE 802.11 töörühmas. Ettepanek äratas suurt huvi ning 2018. aasta juulis käivitus spetsiaalne alagrupp selle küsimuse edasiseks uurimiseks. Kuna reaalaja rakenduste toetamiseks on vajalikud nii kõrged nimikiirused kui ka laiendatud raadiotase funktsionaalsus, otsustas 802.11 töörühm arendada välja meetodeid reaalaja rakenduste toetamiseks Wi-Fi 7 raames.

Oluline küsimus, mis on seotud Wi-Fi 7-ga, on selle koostalitusvõime mobiilside tehnoloogiatega (4G/5G), mida arendab 3GPP ja mis töötab samades mitteelamukorpustes. Jutt käib LTE-LAA/NR-U-st. Wi-Fi ja mobiilsete võrkude koostalitusvõime küsimuste uurimiseks käivitas IEEE 802.11 Coexisting Standing Committee (Coex SC). Hoolimata paljude koosolekute ja isegi 3GPP ja IEEE 802.11 osalejate ühise seminari toimumisest 2019. aasta juulis Viinis, ei ole tehnilised lahendused veel kinnitatud. Üheks võimalikuks selgituseks sellele viljatule tegevusele on see, et nii IEEE 802 kui ka 3GPP ei soovi oma tehnoloogiaid muuta, et neid teisega kooskõlastada. Nii et praegu pole selge, kas Coex SC arutelud mõjutavad Wi-Fi 7 standardit.

Arendamise protsess

Kuigi Wi-Fi 7 arendusprotsess on alles algstaadiumis, on seni esitatud umbes 500 ettepanekut tulevase Wi-Fi 7, tuntud ka kui IEEE 802.11be, uue funktsionaalsuse kohta. Suur osa ideedest on alles arutlemisel be alamgrupis ja nende üle pole veel otsust tehtud. Teised ideed on hiljuti heaks kiidetud. Allpool on selgelt välja toodud, millised ettepanekud on heaks kiidetud ja millised on lihtsalt arutlemisel.

Algusest peale plaaniti, et põhiliste uute mehhanismide arendamine lõpeb märtsiks 2021. Ajavahemiku lõplik versioon on oodata 2024. aasta alguseks. 2020. aasta jaanuaris väljendas 11be alamgrupp muret, et kas arendus vastab ajakavale praeguse töö tempoga. Arenduse kiirendamiseks leppis alamgrupp kokku väikese prioriteetsete funktsioonide komplekti, mis võiksid välja tulla 2021. aastal (Release 1), samas kui ülejäänud jäävad Release 2-le. Prioriteetsed funktsioonid peaksid tagama põhimõttelise jõudluse kasvu ja sisaldama 320 MHz toetust, 4K-QAM-i, ilmseid täiustusi OFDMA-st Wi-Fi 6-st ja MU-MIMO-d 16 vooga.

Koroonaviiruse tõttu ei kogu grupp praegu füüsiliselt, kuid korraldab regulaarselt videokonverentse. Seega on arendus mõnevõrra aeglustunud, kuid ei ole peatunud.

Tehnoloogia üksikasjad

Vaatame Wi-Fi 7 põhiymoodustusi.

Uus füüsikalise tasandi protokoll on Wi-Fi 6 edasiarendus, kahekordse laiuse suurendamisega kuni 320 MHz, kahekordne MU-MIMO ruumiliste voogude arvu suurenemine, mis suurendab nominalset läbilaskvust 2×2 = 4 korda. Wi-Fi 7 hakkab samuti kasutama modulaatsiooni 4K-QAM, mis lisab veel 20% nominalsele läbilaskvusele. Seega pakub Wi-Fi 7 nominalset andmeedastuskiirust 2x2x1,2 = 4,8 korda suuremat võrreldes Wi-Fi 6-ga: Wi-Fi 7 maksimaalne nominalne läbilaskvus on 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Lisaks tehakse füüsikalise tasandi protokollis revolutsiooniline muutus tulevaste Wi-Fi versioonide ühilduvuse tagamiseks, kuid see jääb kasutajatele märkamatuks.
Kanalisse juurdepääsu meetodi muutmine reaalaja rakenduste toetamiseks standardiseerimisel arvestatakse IEEE 802 TSN kogemust juhtmevõrkudes. Jätkuvad arutelud standardimisnõukogus on seotud juhusliku viivituse protseduuriga kanali juurde pääsemisel, liiklusklassidega ja vastavalt eraldi järjekordadega reaalaja liikluse jaoks ning pakettide teeninduspoliitikaga.
Sisseviidud Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA on ajakava ja sageduse põhine kanali juurdepääsu meetod (sarnane sellele, mida kasutatakse 4G ja 5G võrkudes), mis pakub uusi võimalusi ressursside optimaalseks jagamiseks. Siiski on 11ax OFDMA ebaselge. Esiteks võimaldab see juurdepääsupunktil määrata kliendiseadmest ainult ühe eelnevalt kindlaksmääratud suurusega ressursibloki. Teiseks ei toeta see otse edastamist kliendiseadmete vahel. Need kaks puudust vähendavad spektraalist efektiivsust. Lisaks halvendab Wi-Fi 6 OFDMA paindlikkuse puudumine tihedatevõrkude toimivust ja suurendab viivitust, mis on kriitilise tähtsusega reaalaja rakenduste jaoks. 11be lahendab need OFDMA probleemid.
Üks heaks kiidetud revolutsioonilisemaid muudatusi Wi-Fi 7-s on sisseehitatud tugi mitme paralleelse ühenduse samal ajal kasutamiseks erinevates sagedustes, mis on äärmiselt kasulik nii tohutute andmesidekiirusede jaoks kui ka äärmiselt madala viivituse jaoks. Kuigi tänapäevased kiibid suudavad juba praegu mitut ühendust paralleelselt kasutada, näiteks 2.4 ja 5 GHz vahemikus, on need ühendused sõltumatud, mis piirab sellise tegevuse tõhusust. 11be-s leitud kanalite vahelise sünkroonimise tase võimaldab kanalite ressursse efektiivselt kasutada ja toob kaasa olulisi muudatusi protokollide kanali juurdepääsu reeglites.
Väga laiad kanalid ja suur hulk ruumilise voogude kasutamine tõstatab probleeme kõrgete kuludega, mis on seotud kanalite oleku hindamise protseduuriga, mis on vajalik MIMO ja OFDMA jaoks. Need kulud neutraliseerivad kogu kasu, mis tuleneb nominalsete edastuskiirusete tõusust. Oodatakse, et kanali oleku hindamise protseduur vaadatakse läbi..
Wi-Fi 7 kontekstis arutletakse standardimis komitees mõningate "edasijõudnud" andmeedastusmeetodite kasutamist. Teoorias suurendavad need meetodid spektri efektiivsust edastamise korduskatsetel ning samaaegsetel edastustel ühes või vastupidises suunas. Jutt on hübriidautomaatse korduse pärimise (HARQ) meetodist, mida kasutatakse praegu mobiilivõrkudes, full-duplex režiimist ja ortogonaalsete mitmeülesannete ligipääsust (NOMA). Need meetodid on teoorias hästi uuritud, kuid mõistetav pole see, kas nende realiseerimise vaev tasub end ära saavutatud jõudluse kasvu võrreldes.
- Kasutamine HARQ kompleksus tekib järgmise probleemi tõttu. Wi-Fi-s ühendatakse pakette, et vähendada ülehead. Praegustes Wi-Fi versioonides kinnitatakse iga paketi kohaletoimetamine pakettide ühendamise käigus ning kui kinnitus ei saabu, korratakse paketi edastamist kanaliprotokolli meetoditega. HARQ viib korduskatsete kanali tasemelt füüsilisse tasemesse, kus pakette ei ole enam, vaid on koodisõnad, mille piirid ei lange kokku pakettide piiridega. Selline desünkroniseerimine muudab HARQ rakendamise Wi-Fi-s keeruliseks.
- Mis puudutab Full-Duplex, kuid praegu ei saa mobiilivõrkudes ega Wi-Fi võrkudes samal sageduskanalil edastada andmeid ning punktist juurde (basiatsioonist) ja sealt välja. Tehniliselt on see seotud märkimisväärse erinevusega edastatava ja vastuvõetava signaali võimsuses. Kuigi eksisteerivad prototüübid, mis ühendavad edastatava signaali digitaalset ja analoogset lahutamist vastuvõetud signaalist, suudavad saada Wi-Fi signaali selle edastamise ajal, võib saavutatud kasu olla praktikas ebaoluline, kuna igal hetkel ei ole allavoolu voog võrreldav ülavooguga (keskmiselt on allavoolu voog oluliselt suurem). Selline kaksisu edastus muudab protokolli oluliselt keerulisemaks.
- Kui MIMO-tugede ülekandmiseks on vaja saata ja vastu võtta mitmeid antenne, siis mitteortogonaalse juurdepääsu korral saab pääsupunkt sama antenniga samal ajalandale andmeid kahele vastuvõtjale. Erinevad mitteortogonaalset juurdepääsu variandid on viimastes 5G spetsifikatsioonides. Prototüüp NOMA Wi-Fi loodi esmakordselt 2018. aastal RAN-i IPPI-s (palun ärge pidage seda reklaamiks). See näitas 30-40% tootlikkuse kasvu. Arendatud tehnoloogia eelisteks on selle tagasipööratav ühilduvus: üks kahest vastuvõtjast võib olla vananenud seade, mis ei toeta Wi-Fi 7. Üldiselt on tagasipööratav ühilduvus väga oluline probleem, kuna Wi-Fi võrgus saavad samal ajal töötada erinevate põlvkondade seadmed. Praegu analüüsivad mitmed meeskonnad maailmas NOMA ja MU-MIMO ühisest kasutamisest saadud efektiivsust, mille tulemused määravad lähituleviku lähenemisviisi. Me jätkame ka prototüübi kallal töötamist: selle järgmine versioon esitatakse IEEE INFOCOM konverentsil juulis 2020.
Lõpuks on veel üks oluline uuendus, kuid ebaselge saatusega, koordineeritud tegevus pääsupunktide vahel. Kuigi paljudel teenusepakkujatel on oma keskse kontrolli lahendused ärivõrkude Wi-Fi jaoks, on selliste kontrollide võimalused tavaliselt piirdunud pikaajaliste parameetrite seadistamise ja kanalite valimisega. Standardimisorgan arutab tihedamat koostööd naaberjuurdepääsupunktide vahel, mis hõlmab koordineeritud edastamisplaanimist, beamforming (signaali suunamine) ja isegi jaotatud MIMO-süsteeme. Mõned käsitletavad lähenemised kasutavad järjestikust müra summutamist (umbes samasugune nagu NOMA). Kuigi lähenemised 11be koordineerimiseks pole veel välja töötatud, ei ole kahtlust, et standard lubab erinevate tootjate juurdepääsupunktidel omavahel koordineerida edastamise ajakava, et vähendada omavahelist sekkumist. Mis puutub teistesse, keerukamatesse lähenemistesse (nt jaotatud MU-MIMO), siis on nende integreerimine standardisse keerulisem, kuigi grupi mõned liikmed on kindlad, et nad saavutavad selle Release 2 raames. Olenemata tulemusest on juurdepääsupunktide koordineerimise meetodite saatus ebakindel. Isegi kui need on standardisse kaasatud, võivad need mitte jõuda turule. Sarnane olukord on juhtunud varem, kui on püüdnud korraldada Wi-Fi edastusi selliste lahenduste abil nagu HCCA (11e) ja HCCA TXOP läbirääkimised (11be).

Kokkuvõtteks tundub, et enamik ettepanekuid esimestest viiest rühmast saavad osaks Wi-Fi 7-st, samas kui ettepanekud kahe viimase rühma osas vajavad ulatuslikke täiendavaid uuringuid, et tõestada oma tõhusust.