Huawei arendustes panustab Wi-Fi 6-le. Kolleegide ja klientide küsimused uue generatsiooni standardi kohta tõukasid meid kirjutama postituse teoreetilistest alustest ja füüsikalistest põhimõtetest, mis on selle sisse pandud. Ajaloo juurest liigume füüsika juurde, mille osas uurime põhjalikult, miks on vajalikud OFDMA ja MU-MIMO tehnoloogiad. Räägime ka sellest, kuidas põhjalikult ümber töötatud füüsiline andmeedastus võimaldas saavutada garantii kanalite läbilaskevõime osas ja sellise üldise viivituse taseme vähenemise, et need said võrreldavaks „operaatorite” omadega. Ja see kõik, kuigi kaasaegsed 5G-võrgud on kallimad (keskmiselt 20–30 korda) sarnaste Wi-Fi 6 indoor-võrkudega võrreldes.
Huawei jaoks ei ole see teema sugugi kerge: Wi-Fi 6 tooted kuuluvad meie 2020. aasta kõige uuenduslikumate lahenduste hulka, kuhu on investeeritud suuri ressursse. Siin on üks näide: materjaliteaduse uuringud on võimaldanud meil välja valida sulami, mille kasutamine juurdepääsupunktide raadiokomponentides on suurendanudSignaal, müra suhet 2–3 dB võrra: kummardame au sees Doran Ezri (Doron Ezri) selle saavutuse eest.
Veidi ajalugu
Wi-Fi ajalugu tasub alustada 1971. aastast, kui Hawaii Ülikooli professor Norman Abramson koos rühmaga kolleegidest kavandas, konstrueeris ja käivitas ALOHAnet, juhtmeta pakettandmeülekande võrgu.
1980. aastal kinnitati IEEE 802 standardite ja protokollide rühm, mis kirjeldab OSI seitsmeastmelise võrgumudeli kahte alumist kihti. Esimese versiooni 802.11 väljalaskmiseni jäi oodata veel 17 aastat.
1997. aastal standardi 802.11 vastuvõtmisega, kaks aastat enne Wi-Fi Alliance'i loomist, astus esimesel põlvkonnal kõige populaarsemast juhtmeta andmeedastusetehnoloogiast suurde maailma.
IEEE 802 standard. Wi-Fi põlvkonnad
Esimene standard, mille tootjad tegelikult laialdaselt toetavad, oli 802.11b. Nagu näete, on uuenduste sagedus alates XX sajandi lõpust olnud piisavalt stabiilne: kvaliteetsete muutuste saavutamiseks on aega vaja. Viimastel aastatel on peamine töö keskendunud signaali edastamise füüsilise keskkonna parandamisele. Et paremini mõista tänapäeva Wi-Fi probleeme, vaatame selle füüsilisi aluseid.
Kordame põhitõdesid!
Raadiolained on elektromagnetiliste lainete erijuhud — need valguse ja magnetvälja häiritud allikast levivad lainetena. Need iseloomustavad kolm põhiväärtust: lainevektor, samuti elektri- ja magnetvälja tugevusvektorid. Kõik kolm on üksteisega risti. Laine sagedust nimetatakse arvuks korduvatest võnkedest, mis mahtuvad ajavahemikku.
Kõik need on üldteada faktid. Kuid et jõuda lõpuni, peame alustama algusest.
Elektromagnetilise kiirguse sagedusvahemike skaalal hõlmab raadiosagedus madalaima (madalasagedusliku) osa. Sellele kuuluvad elektromagnetilised lained, mille sageduse kõikumised on vahemikus 3 Hz kuni 3000 GHz. Kõik teised vahemikud, sealhulgas nähtav valgus, omavad oluliselt kõrgemat sagedust.
Mida kõrgem on sagedus, seda rohkem energiat saab raadiosignaalile edastada, kuid samas on sellel raskem takistusi ületada ja see kaob kiiremini. Sama kehtib ka vastupidiselt. Nende omaduste arvestamiseks on Wi-Fi tööks valitud kaks peamist sagedusvahemikku — 2,4 GHz (sagedusvahemik 2,4000 kuni 2,4835 GHz) ja 5 GHz (sagedusvahemikud 5,170–5,330, 5,490–5,730 ja 5,735–5,835 GHz).
Raadiolained levivad igas suunas ja selleks, et sõnumid ei mõjutaks üksteist interferentsiefekti tõttu, on sagedusvahemik tavaks jagada kitsasteks segmentideks — kanaliteks, millel on mingi . Ülaltoodud skeemilt on näha, et külgnevad kanalid 1 ja 2, mille läbipääsulaius on 20 MHz, häirivad üksteist, aga kanalid 1 ja 6 — ei häiri.
Signaal edastatakse kanalisse raadiolaine kaudu teatud kandefrekentsil. Informatsiooni edastamiseks võivad laineparameetrid frekventsuse, amplituudi või faasi järgi.
Wi-Fi sagedusvõrkude kanalite eraldamine
Sagedusvahemik 2,4 GHz on jagatud 14 osaliselt kattuva kanaliga, mille optimaalne laius on 20 MHz. Kunagi peeti seda piisavaks keerulise traadita võrgu korraldamiseks. Varsti selgus, et vahemiku mahutus ammendub kiiresti, nii et sellele lisandunud 5 GHz vahemik, mille spektraalne mahutus on palju suurem. Lisaks 20-megahertsilistele kanalitele on võimalik eraldada ka 40 ja 80 MHz laius.
Raadiopartiide spektri efektiivsuse täiendavaks suurendamiseks kasutatakse praegu laialdaselt ortogonaalse sageduse jagamise kanaleid ().
See tähendab, et koos kandefreemi kasutamisega kasutatakse samu kanali alla mitmeid alfreke, mis võimaldab andmete paralleelset edastamist. OFDM võimaldab liiklust jaotada piisavalt mugaval „granulaarset” viisil, kuid oma pikaajalise ajaloo tõttu hoiab ta endas mitmeid olulisi puudusi. Nende hulka kuuluvad CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) võrguprotokolli tööpõhimõtted, mille kohaselt võib ühel kandefreemi ja alfreemi hetkel töötada ainult üks kasutaja.
Ruumiandmed
Oluline viis juhtmevaba võrgu läbilaskevõime suurendamiseks on ruumiandmete kasutamine.
Juurdepääsupunkt kannab endas mitmeid raadiomodule (üks, kaks või rohkem), mis on ühendatud teatud arvu antennidega. Need antennid edastavad teavet kindla skeemi ja modulaatoriga ning me saame informatsiooni, mis on edastatud traadita keskkonna kaudu. Ruumi voog võib tekkida konkreetse füüsilise antenni (raadiomoduuli) ja kasutajaseadmestiku vahel. Tänu sellele suureneb juurdepääsupunktist edastatud teabe kogus, korrutades voogude (antenni) arvuga.
Praeguste standardite kohaselt saab sagedusvahemikus 2,4 GHz ellu viia kuni neli ruumilist voogu, sagedusvahemikus 5 GHz - kuni kaheksa.
Varasematel 2,4 ja 5 GHz sagedusaladel töötades orienteerusime me ainult raadiomodulite arvule. Teise raadiomoduli olemasolu andis lisajõudu, kuna see võimaldas vanadel kliendiseadmetel töötada 2,4 GHz sagedusel ja uutega 5 GHz sagedusel. Kolmanda ja järgmiste raadiomodulite lisandumisega tekkisid mõned probleemid. Kiirgavad elemendid on kalduvad üksteisele häireid tekitama, mis tõstab seadme hinda, kuna on vajalik kvaliteetsem disain ja varustamine juurdepääsupunktide kompensatsioonifilteritega. Seega sai alles hiljuti võimalikuks üheaegne 16 ruumilise voolu toetamine ühe juurdepääsupunkti puhul.
Praktiline ja teoreetiline kiirus
OFDMi töömehhanismide tõttu ei suutnud me saavutada võrgu maksimaalset läbilaskevõimet. Teoreetilised arvutused OFDMi rakendamiseks tehti ammu ja ainult ideaalse keskkonna jaoks, kus oodati piisavalt kõrget signaali ja müra suhet (SNR) ning bitivea tõenäosust (BER). Kaasaegsetes tingimustes, kus kõik meid huvitavad raadiolaine sagedused on tugevalt müra täis, on OFDM-põhiste võrkude läbilaskevõime murettekitavalt madal. Ja protokoll kandis neid puudusi veel kaua aega, kuni abiks tuli OFDMA (ortogonaalne sagedusjaotuse mitme juurdepääsu) tehnoloogia. Rohkem selle kohta — hiljem.
Räägime antennidest
Nagu te teada, on igal antennil gain koefitsient, mille põhjal kujuneb signaali ruumiline jaotumismuster (beamforming) teatud katvusalaga (me ei arvesta signaalide tagasipeegeldust jne). Just sellele on projekteerijad alati toetunud aruteludes, kus täpselt peaksid asuma juurdepääsupunktid. Pikka aega jäi mustri kuju muutumatuks, see kas suurenes või vähenes proportsionaalselt antenni omadustega.
Kaasaegsed antennielemendid saavad järjest rohkem juhtida ja võimaldavad reaalajas dünaamiliselt muuta signaali ruumilist jaotumismustrit.
Pildil vasakul ülal on näidatud raadiolainete levimise põhimõte standardse omnidirektsiooniantenniga. Suurendades signaali võimsust, saime muuta ainult katvuse raadiust, ilma et oleks võimalust oluliselt mõjutada kanali kasutamise kvaliteeti — KQI (Key Quality Indicators). See näitaja on äärmiselt oluline, kui korraldatakse kommunikatsiooni olukordades, kus abonendiseadet sageli liigutatakse traadita keskkonnas.
Probleemi lahenduseks sai arvukate väikeste antennide kasutamine, mille koormust saab reaalajas reguleerida, luues kiirgusmustreid vastavalt kasutaja ruumilisele asendile.
Seeläbi saavutati lähedane rakendamine tehnoloogiate MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Selle abil loob juurdepääsupunkt igal hetkel kiirgusvooge, mis on suunatud täpselt abonendiseadmete poole.
Füüsikast standarditele 802.11
Wi-Fi standardite arenguga on muutunud füüsilise võrgukihtide töö põhimõtted. Teiste modulaatsiooni mehhanismide kasutamine on alates versioonidest 802.11g/n võimaldanud talletada ajavahemikus oluliselt rohkem teavet ning seega teenindada suuremat kasutajate arvu. Peale selle saavutati see ka ruumiliste voogude kasutamise kaudu. Uus paindlikkus kanalite laiuse osas võimaldas luua rohkem ressursse MIMO jaoks.
Järgmisel aastal on planeeritud Wi-Fi 7 standardi kinnitamine. Mis siis muutub selle saabumisega? Lisaks tavapärastele kiirusetõusudele ja 6 GHz sagedusala lisamisele ilmnevad võimalused töötada laiate agregaatkanalitega, nagu 320 MHz. See on eriti huvitav tööstuslikus rakenduses.
Wi-Fi 6 teoreetiline läbilaskevõime
Wi-Fi 6 teoreetiline nominalkiirus on keeruline ja sõltub paljusid teguritest, alustades ruumiliste voogude arvust ja lõpetades teabega, mida saame signaalide subkandjate (või subkandjate, kui neid on mitu) ühes ajas edastada.
Nagu näete, sõltub ruumilistest voogudest väga palju. Tõepoolest, varasemalt halvenes nende arvu suurendamine koos STC (Space-Time Coding) ja MRC (Maximum Ratio Combining) kasutamisega traadita lahenduse toimimist üldiselt.
Uued olulised füüsikataseme tehnoloogiad
Liigume füüsikataseme oluliste tehnoloogiate juurde — alustame OSI võrgu mudeli esimesest tasemest.
Kordame, et OFDM-is kasutatakse kindlat arvu subkandjaid, mis suudavad omavahel segunemata edastada teatud kogust teavet.
Näites kasutame 5,220 GHz sagedust, kus on 48 alakanalit. Kanalit agregireerides saame rohkem subkandjaid, millel on igaühel oma modulasiooni skeem.
Wi-Fi 5 kasutab 256 QAM (kvadratuurne amplituudimodulatsioon), mis võimaldab ühel sageduskanalil ühes ajavahemikus luua 16x16 punkti formeerimise, mis erinevad amplituudi ja faasi poolest. Puuduseks on see, et igal konkreetsel hetkel saab sagedusel edastust teha vaid üks seade.
Ortogonaalne sagedusjaotusega mitmepleximine (OFDMA) tuli mobiilside operaatorite maailmast, levis koos LTE-iga ja seda kasutatakse allatuule (ühenduse kanali kasutaja poole) korraldamiseks. See võimaldab töötada kanali tasemel nn ressurssüksustega. Need üksused aitavad jagada bloki kindlaksmääratud komponentide arvuks. Bloki raames saame igal hetkel mitte töötada rangelt ühe kiirgava elemendi (kasutaja või juurdepääsupunkti) kaudu, vaid kombineerida kümneid elemente. See võimaldab saavutada tähelepanuväärseid tulemusi.
Lihtne kanaliühendus Wi-Fi 6
Kanali ühendamine (Channel Bonding) Wi-Fi 6-s võimaldab saada ühendatud kanaleid vahemikus 20 kuni 160 MHz. Ühendust ei pea tingimata looma lähedastes sagedusvahemikes. Näiteks võib üks blokk olla vahemikust 5,17 GHz ja teine vahemikust 5,135 GHz. See võimaldab paindlikult ehitada raadiokeskkonda isegi tugeva interferentsi või teiste pidevalt edastavate jaamade läheduses.
SIIMOs MIMO-le
MIMO meetod ei ole olnud meiega alati. Kunagi pidi mobiilside piirama end SIMO režiimiga, mis eeldas, et abonendi seadmel on mitu antenni, mis töötavad samal ajal teabe vastuvõtmiseks.
MU-MIMO on loodud edastama teavet kasutajatele, kasutades kogu praegust antennide komplekti. See vabastab varem CSMA/CA protokollist tulenevad piirangud, mis olid seotud abonentseadmete edastustokenite saatmisega. Nüüd liituvad kasutajad gruppi ja iga grupi liige saab oma osa juurdepääsupunkti antennide ressurssidest, mitte ei pea ootama oma korda.
Raadiokiire moodustamine
MU-MIMO töö oluline reegel on säilitada selline antennikohtade töörežiim, mis ei tooks kaasa raadiolainete omavahelist kattumist ja info kadu faasi liitumise tõttu.
See nõuab keerulisi matemaatilisi arvutusi juurdepääsupunkti poolel. Kui terminal toetab seda funktsiooni, võimaldab MU-MIMO tal edastada juurdepääsupunktile, millise viivitusega ta signaali iga konkreetse antenni kaudu saab. Juurdepääsupunkt, omakorda, kohandab oma antenne optimaalselt suunatud signaali tekitamiseks.
Mida see meile kokkuvõttes annab?
Valgete ringidega numbritega tabelis on tähistatud praegused Wi-Fi eelmiste põlvkondade kasutusstsenaariumid. Sinised ringid (vt ülalolevat illustratsiooni) kirjeldavad Wi-Fi 6 võimalusi, ning hallid ringid viitavad lähituleviku võimalustele.
OFDMA toega uued lahendused pakuvad mitmeid eeliseid, millel on ressursside üksused, mis on rakendatud tasemel, mis on sarnane TDM-iga (ajajaotusmultipleximine). Varem polnud Wi-Fi-s midagi sellist. See võimaldab rangelt kontrollida eraldatud ribalaiust, tagades signaali läbimise minimaalse aja ja vajaliku usaldusväärsuse taseme. On selge, et Wi-Fi usaldusväärsuse näitajad vajavad parendamist.
Ajalugu kulgeb spiraalis ning praegune olukord sarnaneb kunagi Etherneti ümber kinnistunud seisuga. Juba siis loeti, et CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) edastusmeetod ei paku mingit garanteeritud läbilaskevõimet. See kestis kuni üleminekuni IEEE 802.3z-le.
Kasutusmudelite osas, nagu näete, arenevad iga Wi-Fi põlvkonnaga kasutusstsenaariumid üha rohkem, olles üha tundlikumad viivituste, üldise ja usaldusväärsuse suhtes.
Ja jälle füüsilisest keskkonnast.
Nüüd räägime sellest, kuidas kujuneb uus füüsiline keskkond. CSMA/CA ja OFDM kasutamisel tõi aktiveeritud punktide (Active STA) arvu kasv kaasa 20-megahertsise kanali läbilaskevõime tõsise languse. See oli tingitud juba mainitud tehnoloogiatest STC (Space-Time Coding) ja MRC (Maximum Ratio Combining), mis ei olnud kõige uuemad.
OFDMA suudab ressursside üksuste abil tõhusalt suhelda kaugete ja madala võimsusega jaamadega. Meil on võimalus töötada ühes kandekanalites, kus kasutajad tarbivad erinevaid ressursihulkasid. Üks kasutaja võib kasutada ühte üksust, samas kui teine võib kasutada kõiki ülejäänud.
Miks varem ei olnud OFDMA-d?
Ja lõpuks, kõige olulisem küsimus: miks varem ei olnud OFDMA-d? Kumbki ei olnud rahaga seotud.
Pikka aega arvati, et Wi-Fi mooduli hind peaks olema minimaalne. Kui protokoll 1997. aastal kommertsikasutusse käivitati,otsustati, et sellise mooduli tootmiskulud ei tohi ületada 1 dollarit. Seetõttu suundus tehnoloogia areng suboptimaalsesse suunda. Siin ei arvestata operaatorite LTE-d, kus OFDMA-d on juba piisavalt kaua kasutatud.
Lõpuks otsustas Wi-Fi töörühm võtta neid arendusi sideoperaatorite maailmast ja viia need ettevõtete võrkudesse. Peamine eesmärk oli üleminek kvaliteetsemate elementide, nagu filtrid ja osillaatorid, kasutamisele.
Miks oli meil nii raske töötada vanade MRC kodeeringutega, kas interfeerimisega või ilma? Sest MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) kiiruse kujundamise mehhanism suurendas vigade arvu järsult, kui üritasime ühendada palju edastuspunkte. OFDMA tõestas, et probleem on lahendatav.
Interferentsiaga toimetulek põhineb nüüd matemaatikal. Kui teabe edastamise aken on piisavalt pikk, põhjustab tekkiv dünaamiline interferents probleeme. Uued tööalgoritmid võimaldavad neist kõrvale hiilida, välistades mitte ainult Wi-Fi edastamisega seotud interferentsi mõju, vaid ka kõik muu, mis sellel sagedusel tekib.
Kohandatud interferentsivastase võitluse abil suudame saavutada kuni 11 dB suuruse kasumi isegi keerulises ebaühtlases keskkonnas. Huawei enda algoritmiliste lahenduste kasutamine on võimaldanud saavutada tõsiseid optimeerimisi seal, kus see on vajalik — sisevõrkudes. See, mis on hea 5G puhul, ei pruugi olla hea Wi-Fi 6 keskkonnas. Massive MIMO ja MU-MIMO lähenemised erinevad sise- ja välikeskkondade puhul. Seal, kus on vajalik, on sobiv kasutada kallimaid lahendusi, nagu 5G puhul. Kuid on vajalikud ka teised variandid, näiteks Wi-Fi 6, mis suudavad pakkuda viivitusi ja muid näitajaid, mida oleme harjunud ootama sideoperaatoritelt.
Mä võtame nende tööriistu, mis on meile, kui ettevõtte kasutajatele, kasulikud, et tagada füüsiline keskkond, millele saab toetuda.
***
Ärge unustage meie mitmeid veebiseminare Huawei 2020. aasta uudistest, mis toimuvad mitte ainult venekeelses segmentis, vaid ka globaalsetel tasanditel. Lähemate nädalate veebiseminaride nimekiri on saadaval .
Allikas: habr.com
