Huawei tugineb oma arendustes Wi-Fi 6-le. Kolleegide ja klientide küsimused standardi uue põlvkonna kohta ajendasid meid kirjutama postituse sellesse põimitud teoreetilistest alustest ja füüsilistest põhimõtetest. Liigume ajaloost füüsika juurde ja uurime üksikasjalikult, miks on vaja OFDMA ja MU-MIMO tehnoloogiaid. Räägime ka sellest, kuidas põhimõtteliselt ümber kujundatud füüsiline andmeedastusmeedium võimaldas saavutada garanteeritud kanali läbilaskevõime ja niivõrd üldise viivituste taseme vähenemise, et need muutusid võrreldavaks operaatori omadega. Ja seda hoolimata asjaolust, et kaasaegsed 5G-põhised võrgud on kallimad (keskmiselt 20–30 korda) kui sarnaste võimalustega siseruumides kasutatavad Wi-Fi 6 võrgud.
Huawei jaoks pole teema sugugi tühine: Wi-Fi 6 toetavad lahendused on meie 2020. aasta läbimurdelisemate toodete hulgas, millesse on investeeritud tohutult ressursse. Siin on vaid üks näide: materjaliteaduse valdkonna uuringud võimaldasid meil valida sulami, mille kasutamine pääsupunkti raadioelementides suurendas signaali-müra suhet 2–3 dB võrra: müts maha Doron Ezri ees. see saavutus.
Veidi ajalugu
Wi-Fi ajalugu on mõttekas lugeda tagasi aastasse 1971, mil Hawaii ülikoolis töötas professor Norman Abramson koos kolleegidega välja, ehitas ja käivitas traadita pakettandmesidevõrgu ALOHAneti.
1980. aastal kiideti heaks grupp standardeid ja protokolle IEEE 802, mis kirjeldasid seitsmekihilise OSI võrgumudeli kahe alumise kihi ülesehitust. Enne 802.11 esimese versiooni väljaandmist pidime ootama 17 pikka aastat.
Standardi 1997 vastuvõtmisega 802.11. aastal, kaks aastat enne Wi-Fi Alliance'i sündi, jõudis tänapäeva populaarseima juhtmevaba andmetehnoloogia esimene põlvkond laia maailma.
IEEE 802 standard. Wi-Fi põlvkonnad
Esimene standard, mida seadmete tootjad tõeliselt laialdaselt toetasid, oli 802.11b. Nagu näha, on uuenduste sagedus alates XNUMX. sajandi lõpust olnud üsna stabiilne: kvalitatiivsed muutused võtavad aega. Viimastel aastatel on füüsilise signaaliedastuskandja täiustamiseks tehtud palju tööd. Wi-Fi tänapäevaste probleemide paremaks mõistmiseks pöördume selle füüsiliste aluste poole.
Jätame põhitõed meelde!
Raadiolained on elektromagnetlainete erijuht – levivad elektri- ja magnetvälja häirete allikast. Neid iseloomustavad kolm peamist parameetrit: lainevektor, samuti elektri- ja magnetvälja tugevuse vektorid. Kõik kolm on üksteisega risti. Sel juhul nimetatakse laine sageduseks tavaliselt korduvate võnkumiste arvu, mis mahuvad ajaühikusse.
Kõik need on üldtuntud faktid. Lõpuni jõudmiseks oleme aga sunnitud alustama päris algusest.
Elektromagnetilise kiirguse sagedusalade tavapärasel skaalal on raadiosagedus madalaima (madalsagedusliku) osa. See hõlmab elektromagnetlaineid võnkesagedusega 3 Hz kuni 3000 GHz. Kõik teised ribad, sealhulgas nähtav valgus, on palju kõrgema sagedusega.
Mida kõrgem on sagedus, seda rohkem saab raadiolainele energiat anda, kuid samal ajal paindub see takistuste ümber halvemini ja sumbub kiiremini. Tõsi on ka vastupidine. Neid omadusi arvesse võttes valiti Wi-Fi tööks kaks peamist sagedusvahemikku - 2,4 GHz (sagedusvahemik 2,4000 kuni 2,4835 GHz) ja 5 GHz (sagedusribad 5,170-5,330, 5,490-5,730 ja 5,735 GHz).
Raadiolained levivad igas suunas ning vältimaks sõnumite häireefekti tõttu üksteist mõjutamist, jagatakse sagedusriba tavaliselt eraldi kitsasteks osadeks – ühe või teisega kanaliteks. . Ülaltoodud diagramm näitab, et 1 MHz ribalaiusega külgnevad kanalid 2 ja 20 segavad üksteist, kuid 1 ja 6 mitte.
Kanalis olev signaal edastatakse raadiolaine abil teatud kandesagedusel. Teabe edastamiseks võivad laineparameetrid olla sageduse, amplituudi või faasi järgi.
Kanalite eraldamine Wi-Fi sagedusvahemikus
2,4 GHz sagedusvahemik on jagatud 14 osaliselt kattuvaks kanaliks, mille optimaalne laius on 20 MHz. Kunagi usuti, et sellest piisab keeruka traadita võrgu korraldamiseks. Peagi sai selgeks, et vahemiku võimsus hakkab kiiresti ammenduma, mistõttu lisandus sellele 5 GHz vahemik, mille spektraalvõimsus on palju suurem. Selles on lisaks 20 MHz kanalitele võimalik eraldada kanaleid laiusega 40 ja 80 MHz.
Raadiosagedusspektri kasutamise tõhususe edasiseks parandamiseks kasutatakse nüüd laialdaselt ortogonaalse sagedusjaotusega multipleksimistehnoloogiat ().
See hõlmab koos kandesagedusega mitme alamkandja sageduse kasutamist samas kanalis, mis võimaldab teostada paralleelset andmeedastust. OFDM võimaldab teil liiklust jaotada üsna mugaval "granuleeritud" viisil, kuid oma auväärse vanuse tõttu säilitab see mitmeid olulisi puudusi. Nende hulgas on CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) võrguprotokolli (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) tööpõhimõtted, mille kohaselt saab ühel kandjal ja alamkandjal teatud aegadel töötada ainult üks kasutaja.
Ruumilised voolud
Oluline viis traadita võrgu läbilaskevõime suurendamiseks on ruumiliste voogude kasutamine.
Pöörduspunkt kannab mitut raadiomoodulit (üks, kaks või enam), mis on ühendatud teatud arvu antennidega. Need antennid kiirgavad vastavalt teatud mustrile ja modulatsioonile ning teie ja mina võtame vastu traadita andmekandja kaudu edastatavat teavet. Ruumivoo saab moodustada pääsupunkti konkreetse füüsilise antenni (raadiomooduli) ja kasutajaseadme vahel. Tänu sellele suureneb pääsupunktist edastatava teabe kogumaht voogude (antennide) arvu mitmekordseks.
Praeguste standardite kohaselt saab sagedusalas 2,4 GHz rakendada kuni nelja ruumilist voogu ja sagedusalas 5 GHz kuni kaheksat.
Varem 2,4 ja 5 GHz sagedusalades töötades keskendusime ainult raadiomoodulite arvule. Teise raadiomooduli olemasolu andis täiendava paindlikkuse, kuna võimaldas vanadel abonendiseadmetel töötada sagedusel 2,4 GHz ja uutel sagedusel 5 GHz. Kolmanda ja järgnevate raadiomoodulite tulekuga tekkisid mõned probleemid. Kiirgavad elemendid kipuvad üksteist segama, mis tõstab seadme maksumust, kuna on vaja paremat disaini ja pääsupunkti varustada kompensatsioonifiltritega. Nii sai alles hiljuti võimalikuks ühe pöörduspunkti kohta üheaegselt toetada 16 ruumilist voogu.
Praktiline ja teoreetiline kiirus
OFDM-i töömehhanismide tõttu ei saanud me võrgu maksimaalset läbilaskevõimet. Teoreetilised arvutused OFDM-i praktiliseks rakendamiseks tehti juba ammu ja ainult ideaalsete keskkondadega seoses, kus eeldati üsna kõrget signaali-müra suhet (SNR) ja bitivea määra (BER). Kaasaegses tugeva müra tingimustes kõigis meid huvitavates raadiosagedusspektrites on OFDM-põhiste võrkude läbilaskevõime masendavalt madal. Ja protokoll kandis neid puudusi kuni viimase ajani, kuni appi tuli OFDMA (ortogonaalne sagedusjaotusega mitut juurdepääsu) tehnoloogia. Tema kohta - natuke kaugemale.
Räägime antennidest
Teatavasti on igal antennil võimendus, mille väärtusest olenevalt moodustub signaali levimise ruumiline muster (kiirekujundamine) teatud levialaga (signaali tagasipeegeldust vms ei arvesta). Just seda on disainerid alati oma arutluskäigus lähtunud sellest, kuhu pääsupunktid täpselt paigutada. Pikka aega jäi mustri kuju muutumatuks ja ainult suurenes või vähenes proportsionaalselt antenni omadustega.
Kaasaegsed antennielemendid muutuvad järjest paremini juhitavaks ja võimaldavad dünaamilisi muutusi signaali leviku ruumimustris reaalajas.
Ülaltoodud vasakpoolne joonis näitab raadiolainete levimise põhimõtet, kasutades standardset mitmesuunalist antenni. Signaali võimsust suurendades saaksime muuta ainult leviraadiust, ilma et oleks võimalik oluliselt mõjutada kanali kasutamise kvaliteeti – KQI (Key Quality Indicators). Ja see indikaator on äärmiselt oluline suhtluse korraldamisel abonendiseadme sagedase liikumise tingimustes traadita ühenduses.
Probleemi lahenduseks oli suure hulga väikeste antennide kasutamine, mille koormust saab reaalajas reguleerida, moodustades levimustreid sõltuvalt kasutaja ruumilisest asukohast.
Nii oli võimalik läheneda MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) tehnoloogia kasutamisele. Selle abiga genereerib pääsupunkt igal ajal spetsiaalselt abonendiseadmetele suunatud kiirgusvooge.
Füüsikast 802.11 standarditeni
Wi-Fi standardite arenedes muutusid võrgu füüsilise kihiga töötamise põhimõtted. Teiste modulatsioonimehhanismide kasutamine on võimaldanud – alustades versioonidest 802.11g/n – mahutada ajapilusse palju suuremat hulka infot ja vastavalt sellele töötada suurema hulga kasutajatega. Muuhulgas saavutati see ruumiliste voogude kasutamisega. Ja kanali laiuse uus paindlikkus on võimaldanud luua MIMO jaoks rohkem ressursse.
Wi-Fi 7 standardi kinnitamine on kavandatud järgmisele aastale. Mis selle tulekuga muutub? Lisaks tavapärasele kiiruse suurendamisele ja 6 GHz sagedusala lisamisele on võimalik töötada laiade koondatud kanalitega, näiteks 320 MHz. See on eriti huvitav tööstuslike rakenduste kontekstis.
Teoreetiline Wi-Fi 6 läbilaskevõime
Wi-Fi 6 nimikiiruse arvutamise teoreetiline valem on üsna keeruline ja sõltub paljudest parameetritest, alustades ruumiliste voogude arvust ja lõpetades teabega, mida saame alamkandjasse (või alamkandjatesse, kui neid on mitu) sisestada. neid) ajaühiku kohta.
Nagu näete, sõltub palju ruumilistest voogudest. Kuid varem halvendas nende arvu suurenemine koos STC (Space-Time Coding) ja MRC (Maximum Ratio Combining) kasutamisega traadita lahenduse kui terviku jõudlust.
Uued peamised füüsikalise kihi tehnoloogiad
Liigume edasi füüsilise kihi võtmetehnoloogiate juurde – ja alustame OSI võrgumudeli esimese kihiga.
Tuletame meelde, et OFDM kasutab teatud arvu alamkandjaid, mis üksteist mõjutamata on võimelised edastama teatud hulga informatsiooni.
Näites kasutame sagedusala 5,220 GHz, mis sisaldab 48 alamkanalit. Selle kanali liitmisel saame suurema hulga alamkandjaid, millest igaüks kasutab oma modulatsiooniskeemi.
Wi-Fi 5 kasutab kvadratuuramplituudmodulatsiooni 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), mis võimaldab ühes ajapilus moodustada kandesageduse piires 16 x 16 punktist koosneva välja, mis erineb amplituudi ja faasi poolest. Ebamugavuseks on see, et igal hetkel saab kandesagedusel edastada ainult üks jaam.
Ortogonaalne sagedusjaotusega multipleksimine (OFDMA) tuli mobiilsideoperaatorite maailmast, levis laialt samaaegselt LTE-ga ja seda kasutatakse allalingi (sidekanali abonendi) korraldamiseks. See võimaldab teil kanaliga töötada nn ressursiüksuste tasemel. Need üksused aitavad jagada ploki teatud arvuks komponentideks. Plokis ei saa me igal hetkel töötada rangelt ühe kiirgava elemendiga (kasutaja või pääsupunkt), vaid kombineerida kümneid elemente. See võimaldab teil saavutada märkimisväärseid tulemusi.
Lihtne kanalite ühendamine Wi-Fi kaudu 6
Kanalite sidumine Wi-Fi 6-s võimaldab teil saada kombineeritud kanaleid laiusega 20–160 MHz. Lisaks ei pea ühendust looma läheduses asuvates piirkondades. Näiteks võib ühe ploki võtta 5,17 GHz sagedusalast ja teise 5,135 GHz sagedusalast. See võimaldab paindlikult luua raadiokeskkonda ka tugevate häiretegurite juuresolekul või teiste pidevalt kiirgavate jaamade läheduses.
SIM-ist MIMO-sse
MIMO-meetod pole alati meiega olnud. Kunagi pidi mobiilside piirduma SIMO-režiimiga, mis tähendas mitme antenni olemasolu abonendijaamas, mis töötasid samaaegselt teabe vastuvõtmisel.
MU-MIMO on mõeldud teabe edastamiseks kasutajatele, kasutades kogu praegust antennivaru. See eemaldab CSMA/CA-protokolliga varem kehtestatud piirangud, mis on seotud abonendiseadmetele edastamiseks žetoonide saatmisega. Nüüd on kasutajad ühendatud gruppi ja iga grupi liige saab oma osa pääsupunkti antenniressursist, mitte ei oota oma korda.
Raadiokiire moodustumine
MU-MIMO töö oluline reegel on säilitada antennimassiivi töörežiim, mis ei põhjustaks raadiolainete vastastikust kattumist ja teabe kadumist faaside liitmise tõttu.
See nõuab pöörduspunkti poolel keerulisi matemaatilisi arvutusi. Kui terminal seda funktsiooni toetab, võimaldab MU-MIMO pääsupunktile öelda, kui kaua kulub signaali vastuvõtmiseks igal konkreetsel antennil. Ja pöörduspunkt omakorda reguleerib oma antenne, et moodustada optimaalselt suunatud kiire.
Mida see meile üldiselt annab?
Tabelis olevad valged ringid numbritega näitavad eelmiste põlvkondade Wi-Fi kasutamise praeguseid stsenaariume. Sinised ringid (vt ülaltoodud illustratsiooni) kirjeldavad Wi-Fi 6 võimalusi ja hallid on lähituleviku küsimus.
Peamised eelised, mida uued OFDMA-toega lahendused toovad, on seotud TDM-i (Time Division Multiplexing) sarnasel tasemel rakendatud ressursiüksustega. Wi-Fi puhul polnud see kunagi varem nii. See võimaldab teil selgelt juhtida eraldatud ribalaiust, tagades minimaalse signaali edastusaja läbi andmekandja ja vajaliku töökindluse. Õnneks ei kahtle keegi, et WiFi töökindluse näitajad vajavad parandamist.
Ajalugu liigub spiraalselt ja praegune olukord sarnaneb omal ajal Etherneti ümber kujunenud olukorraga. Juba siis kehtestati arvamus, et CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) edastusmeedium ei taga mingit garanteeritud läbilaskevõimet. Ja see jätkus kuni üleminekuni IEEE 802.3z-le.
Mis puutub üldistesse rakendusmudelitesse, siis nagu näete, suureneb iga Wi-Fi põlvkonnaga selle kasutusstsenaariumid, mis on üha tundlikumad viivituste suhtes, üldine ja usaldusväärsus.
Ja veelkord füüsilisest keskkonnast
Noh, nüüd räägime sellest, kuidas uus füüsiline keskkond kujuneb. CSMA/CA ja OFDM kasutamisel tõi aktiivsete STA-de arvu kasv kaasa 20 MHz kanali läbilaskevõime tõsise languse. Selle põhjuseks oli juba mainitud: mitte uusimad tehnoloogiad STC (Space-Time Coding) ja MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA saab ressursiühikute kasutamise kaudu tõhusalt suhelda pikamaa- ja väikese võimsusega jaamadega. Saame võimaluse töötada samas operaatorivahemikus kasutajatega, kes tarbivad erinevaid ressursse. Üks kasutaja võib hõivata ühe üksuse ja teine - kõik teised.
Miks varem OFDMA-d polnud?
Ja lõpuks põhiküsimus: miks varem OFDMA-d polnud? Kummalisel kombel taandus kõik rahale.
Pikka aega arvati, et Wi-Fi mooduli hind peaks olema minimaalne. Kui protokoll 1997. aastal kommertskasutusse lasti, otsustati, et sellise mooduli tootmismaksumus ei tohi ületada 1 dollarit. Selle tulemusena läks tehnoloogia areng ebaoptimaalset teed. Siin me ei võta arvesse operaatorit LTE, kus OFDMA-d on kasutatud üsna pikka aega.
Lõpuks otsustas Wi-Fi töörühm võtta need arendused telekommunikatsioonioperaatorite maailmast ja viia need ettevõtete võrkude maailma. Peamine ülesanne oli üleminek kvaliteetsemate elementide, näiteks filtrite ja ostsillaatorite kasutamisele.
Miks oli meil nii raske töötada vanades MRC-kodeeringus häiretega või ilma? Kuna MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) kiirkujundamise mehhanism suurendas järsult vigade arvu niipea, kui proovisime kombineerida suurt hulka edastuspunkte. OFDMA on tõestanud, et probleemi saab lahendada.
Võitlus häirete vastu põhineb nüüd matemaatikal. Kui edastusaken on piisavalt pikk, põhjustavad tekkivad dünaamilised häired probleeme. Uued tööalgoritmid võimaldavad neid vältida, välistades mitte ainult Wi-Fi edastusega seotud häirete, vaid ka kõigi muude selles vahemikus esinevate häirete mõju.
Tänu adaptiivsele häiretevastasele funktsioonile suudame isegi keerulistes heterogeensetes keskkondades saavutada võimenduse kuni 11 dB. Huawei enda algoritmiliste lahenduste kasutamine võimaldas saavutada tõsist optimeerimist just seal, kus vaja – siselahendustes. See, mis on 5G-s hea, ei pruugi olla hea Wi-Fi 6 keskkonnas. Massiivsed MIMO ja MU-MIMO lähenemisviisid erinevad sise- ja välislahenduste puhul. Vajadusel on asjakohane kasutada kalleid lahendusi, nagu 5G puhul. Kuid vaja on muid võimalusi, näiteks Wi-Fi 6, mis suudab pakkuda latentsust ja muid näitajaid, mida oleme operaatoritelt harjunud ootama.
Laename neilt tööriistu, mis on meile kui ettevõtte tarbijatele kasulikud. Seda kõike selleks, et luua füüsiline keskkond, millele saame toetuda.
***
Muide, ärge unustage meie arvukaid veebiseminare 2020. aasta uute Huawei toodete kohta, mis toimuvad mitte ainult venekeelses segmendis, vaid ka ülemaailmsel tasandil. Järgmiste nädalate veebiseminaride nimekiri on saadaval aadressil .
Allikas: www.habr.com