Huaweiga keskendub oma arendustes Wi-Fi 6-le. Küsimused kolleegidelt ja klientidelt uue põlvkonna standardi kohta on ajendanud meid kirjutama postituse teoreetilistest alustest ja füüsikalistest põhimõtetest, mis selle sisse on pandud. Ajaloolt liigume füüsikasse, uurime detailselt, miks on vajalikud tehnoloogiad OFDMA ja MU-MIMO. Räägime ka sellest, kuidas põhimõtteliselt ümber töötatud andmeedastuse füüsikaline keskkond on võimaldanud saavutada garanteeritud kanalite läbilaskevuse ja nii suurt viivituste kogutaseme vähenemist, et need on nüüd võrreldavad 'operaatorite' tasemega. Ja seejuures tuleb arvesse võtta, et kaasaegsed 5G-võrgud on kallimad (keskmiselt 20–30 korda) võrreldes samade võimalustega siseruumide Wi-Fi 6-võrkudega.
Huaweile pole see teema sugugi kerge: Wi-Fi 6 toega lahendused on olnud meie 2020. aasta kõige murrangulisemate toodete seas, millesse on investeeritud tohutult ressursse. Siin on vaid üks näide: materjaliteaduse valdkonna uurimised on võimaldanud meil valida sulami, mille kasutamine juurdepääsupunktide raadioskeemides suurendas 'signaal - müra' suhet 2–3 dB võrra: kummardame austusega Doron Ezri (Doron Ezri) ette selle saavutuse eest.
Enne kui liigume edasi
Wi-Fi ajalugu on mõistlik alustada 1971. aastast, kui Hawaii Ülikooli professor Norman Abramson koos kolleegidega arendas, ehitas ja käivitas traadita pakettide edastamise võrgu ALOHAnet.
1980. aastal kiideti heaks IEEE 802 standardite ja protokollide grupp, mis kirjeldab seitsmeastmelise OSI mudeli kahe alumise kihi korraldust. Esimese 802.11 versiooni vabastamiseni tuli oodata pikad 17 aastat.
1997. aastal 802.11 standardi vastuvõtmisega astus esimene põlvkond kõige populaarsemast tänapäeval kasutatavast traadita andmeedastus-tehnoloogiast kahe aasta pärast Wi-Fi Alliance'i loomist suure maailma.
IEEE 802 Standard. Wi-Fi Põlvkonnad
Esmane standard, mida tootjad tõeliselt massiliselt toetavad, oli 802.11b. Nagu näete, oli uuenduste sagedus 20. sajandi lõpus piisavalt stabiilne: kvaliteetsete muudatuste jaoks on vajalik aeg. Viimastel aastatel on peamine töö olnud fokusseeritud signaali edastamise füüsikalise keskkonna parandamisele. Et paremini mõista tänapäeva Wi-Fi probleeme, pöördume selle füüsikalistele aluste poole.
Kujutame ette aluseid!
Raadiolained on elektromagnetiliste lainete erijuht, mis levivad elektri- ja magnetväljakute häirimise allikast. Neid iseloomustavad kolm põhitemplit: lainevektor ning elektri- ja magnetvälja pingete vektorid. Kõik kolm on omavahel risti.
Need on kõik üldteada faktid. Kuid et asja lõpuni viia, peame alustama algusest.
Elekromagnetilise kiirguse sagedusvahemike tinglikul skaalal asub raadiovahemik madalaimal (madalsageduslikul) kohal. Selle alla kuuluvad elektromagnetilised lained, mille sagedus jääb vahemikku 3 Hz kuni 3000 GHz. Kõik teised vahemikud, sealhulgas nähtav valgus, on oluliselt kõrgema sagedusega.
Mida kõrgem on sagedus, seda enam energiat saab raadiolainetesse edastada, kuid samas on ka raskus takistustest mööda minna ja need kaovad kiiremini. Tõene on ka vastupidine. Nende omadustega seoses valiti Wi-Fi jaoks kaks peamist sagedusvahemikku — 2,4 GHz (sagedusala vahemik 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 et signaalid ei mõjutaks üksteist interferentsi efekti tõttu, jagatakse sagedusala kitsasteks segmentideks — kanaliteks, millel on erinev . Ülaltoodud skeemilt on näha, et naaberkanalid 1 ja 2, mille läbivaatamisala on 20 MHz, segavad üksteist, samas kui 1 ja 6 — ei segune.
Signeerimine kanalisse edastatakse raadiolainete kaudu kindlal kandvasagedusel. Teabe edastamiseks võivad laineparameetrid sageduse, amplituudi või faasi järgi.
Kanalite eraldamine Wi-Fi sagedusvahemikes
Sagedusvahemik 2,4 GHz on jagatud 14 osaliselt kattuva kanali vahel, mille optimaalne laius on 20 MHz. Kunagi arvatati, et sellest piisab keeruka juhtmevaba võrgu loomiseks. Peagi selgus, et vahemiku maht kahaneb kiirelt, mistõttu lisati vahemik 5 GHz, mille spektraalne mahutavus on oluliselt suurem. Sellel on lisaks 20-megahertsistele kanalitele võimalik eraldada 40 ja 80 MHz laiusel kanaleid.
Lisaks raadiovõrgu spektri tõhususe suurendamisele kasutatakse praegu laialdaselt ortogonaalse sageduse jagamise tehnoloogiat.).
See hõlmab kandevõnaga koos mitme alussageduse kasutamist samas kanalis, mis võimaldab andmete samaaegset edastamist. OFDM võimaldab liiklust jaotada piisavalt mugavalt "granulaarselt", kuid oma vanuse tõttu säilitab see mitmeid olulisi puudusi. Nende hulka kuuluvad CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) võrgu protokolli toimimise printsiibid, mille kohaselt võib teatud ajahetkedel ühel kande- ja alussagedusel töötada ainult üks kasutaja.
Ruumiööd
Oluline viis juhtmeta võrgu läbilaskevõime suurendamiseks on ruumiöödede kasutamine.
Ligipääsupunkt kannab endaga kaasas mitmeid raadio mooduleid (üks, kaks või enam), mis on ühendatud teatud arvu antennidega. Need antennid kiirgavad teatud skeemi ja modulaatoriga ning me saame teavet, mis on edastatud juhtmeta keskkonna kaudu. Ruumiööd võib luua konkreetse füüsilise antenni (raadiomooduli) ja kasutajaseadme vahel. Selle tõttu suureneb ligipääsupunktist edastatava teabe kogus kordades antennide arvu võrra.
Praeguste standardite järgi saab 2,4 GHz bandis rakendada kuni nelja ruumiööd, 5 GHz bandis kuni kaheksa.
Varem töödes 2,4 ja 5 GHz sagedusalades keskendusime ainult raadiosüsteemide arvule. Teise raadiosüsteemi olemasolu andis täiendavat paindlikkust, kuna see võimaldas vanadel lõppseadmetel töötada sagedusel 2,4 GHz, samas kui uued töötasid sagedusel 5 GHz. Kolmanda ja järgmiste raadiosüsteemide ilmumisega tekkis mõningaid probleeme. Kiirgavad elemendid on altid üksteist häirima, mis tõstab seadme hinda, nõudes kõrgema kvaliteediga projekteerimist ja kohandatud filtrite varustamist pääsupunktidesse. Nii et alles hiljuti sai võimalikuks samaaegselt toetada 16 ruumilist voogu ühes pääsupunktis.
Praktiline ja teoreetiline kiirus
OFDM-i töömehhanismide tõttu ei suutnud me saavutada võrgu maksimaalset läbilaskevõimet. Teoreetilised arvutused OFDM-i praktiliseks rakendamiseks tehti juba ammu ja need kehtisid ainult ideaalsetele keskkondadele, kus oodata oli piisavalt kõrget signaali ja müra suhet (SNR) ning bitivea tõenäosust (BER). Kaasaegsetes tingimustes, kus kõik meid huvitavad raadiosagedusalad on tugevalt mürarikkad, on OFDM-põhiste võrkude läbilaskevõime murettekitavalt madal. Ja protokoll jätkas nende puuduste kandmist, kuni OFDMA (ortogonaalne sagedusjaotuse mitmekordne juurdepääs) tehnoloogia appi tuli. Selle kohta - veidi hiljem.
Räägime antennidest
Nagu te teate, on igal antennil tugevuse koefitsient, mille põhjal kujuneb välja signaali ruumiline jaotumisdiagramm (beamforming) teatud katmisalaga (me ei arvesta signaalide peegeldumist jne). See on alati olnud disainerite põhjalikuks mõtlemiseks, kus täpselt punktid peaksid asuma. Pikka aega jäi mustri kuju muutmatuks, ainult suurendus ja vähenemine olid proportsionaalsed antenni omadustega.
Kaasaegsed antennielemendid muutuvad üha rohkem reguleeritavaks ning võimaldavad dünaamiliselt muuta signaali ruumilist jaotumisdiagrammi reaalajas.
Vasakul nurgas on näidatud, kuidas levivad raadiolained, kasutades standardset kõigis suundades töötavat antenni. Suurendades signaali võimsust, suutsime muuta vaid katvuse raadiust, ilma et oleks võimalik oluliselt mõjutada kanalit kasutamise kvaliteeti — KQI (Key Quality Indicators). See näitaja on äärmiselt oluline, kui luua ühendust, kus tellija seade liikleb sageli traadita keskkonnas.
Probleemi lahenduseks sai väikeste antennide kasutamine, mille koormust saab reaalajas reguleerida, luues levitamismustreid sõltuvalt kasutaja ruumilisest asukohast.
Nii õnnestus läheneda MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) tehnoloogia rakendamisele. Selle abil loob juurdepääsupunkt igal hetkel kiirgusvoogude suundi, mis on suunatud just tellija seadmete poole.
Füüsikast 802.11 standarditeni
Wi-Fi standardite arenedes muutusid võrgu füüsilise kihi tööpõhimõtted. Erinevate modulatsioonimehhanismide kasutamine, alates 802.11g/n versioonidest, on võimaldanud paigutada ajavahemikku palju rohkem teavet ning seetõttu töötada suurema kasutajate arvuga. Peale selle saavutati see ka ruumiliste voogude kasutamise kaudu. Uusmaailmse kanali laius võimaldas luua suurem hulk ressursse MIMO jaoks.
Eeloleval aastal on plaanis kinnitada Wi-Fi 7 standard. Mis siis muudab? Lisaks tavapärasele kiirusetõusule ja 6 GHz sagedusala lisamisele tekib võimalus töötada laia aggregeeritud kanaliga, näiteks 320 MHz. See on eriti huvitav tööstuslikus rakenduses.
Wi-Fi 6 teoreetiline läbilaskevõime
Wi-Fi 6 nominale töökiirus on keeruline ja sõltub paljuski paljusid parameetreid, alates ruumiliste voogude arvust ja lõpetades teabega, mida suudame üksusesse (või üksustesse, kui neid on mitu) ajaühiku jooksul sisestada.
Nagu näete, sõltub paljuski ruumiliste voogude hulk. Kuid varem halvenes nende arvu suurenemine koos STC (Ruumiaja kodeerimine) ja MRC (Maksimaalse suhte kombinatsioon) kasutamisega traadita lahenduse töö efektiivsus.
Uued füüsilise tasandi võtmetehnoloogiad
Liigume füüsilise tasandi võtmetehnoloogiate juurde - alustame OSI võrgu mudeli esimesest tasemest.
Kordame, et OFDM-is kasutatakse teatud hulka kandjaid, mis suudavad edastada teatud teabe kogust, ilma et need üksteist segaksid.
Näites kasutame 5,220 GHz vahemikku, kuhu mahub 48 alamkanalit. Kui me seda kanalit kogume, saame rohkem kandjaid, millel igal üksikule rakendatakse oma modulaatoriskeem.
Wi-Fi 5-s kasutatakse 256 QAM (kvadratuuramplituudi modulaator), mis võimaldab luua kannusageduse raames ühe ajavahemiku jooksul 16 x 16 punkti, mis erinevad amplituudi ja faasi poolest. Probleem on selles, et iga eraldi hetk võib kannusagedusel edastada teavet ainult üks jaam.
Ortogonaalse sagedusjaotusega multitegevus (OFDMA) on pärit mobiilside operaatorite maailmast, laienes samal ajal LTE-ga ja seda kasutatakse allsuunamiseks (ühenduse kanali tarbijale). See võimaldab töötada kanaliga nii nimetatud ressursside üksuste tasemel. Need üksused aitavad hajutada ploki teatud arvu komponentide vahel. Ploki raames ei pea me alati töötama kaheksaga ühesuguse edastuseelemendiga (kasutaja või ligipääsupunkt), vaid saame kombineerida kümneid elemente. See võimaldab saavutada märkimisväärseid tulemusi.
Lihtne kanalite ühendamine Wi-Fi 6-s
Kanalite ühendamine (Channel Bonding) Wi-Fi 6-s lubab saada ühendatud kanaleid laiuselt 20 kuni 160 MHz. Lisaks ei pea ühendamine olema tingimata lähestikku asuvates vahemikes. Näiteks, üks plokk võib olla vahemikus 5,17 GHz ja teine plokk vahemikus 5,135 GHz. See võimaldab paindlikult välja arendada raadiosageduslikku keskkonda isegi tugeva sekkumise või teiste pidevalt edastavate jaamade läheduses.
SIMO-lt MIMO-le
MIMO meetod pole olnud meiega alati. Kunagi pidid mobiilsideteenused piirduvate SIMO režiimiga, mis tähendas, et kasutajajaamas oli mitu antenni, mis töötasid samaaegselt informatsiooni vastuvõtmiseks.
MU-MIMO on loodud edastama teavet kasutajatele, kasutades kogu olemasolevat antennide fondi. See eemaldab varasemalt CSMA/CA protokolli tõttu kehtinud piirangud, mis olid seotud kasutajaseadmetele edastatavate edastus-tokenitega. Nüüd koondatakse kasutajad gruppi ja iga grupi liige saab oma osa juurdepääsupunkti antennide ressurssidest, mitte ei pea ootama oma järjekorda.
Raadiokiire kujundamine
Oluline reegel MU-MIMO töös on säilitada antennide fondi töörežiim, mis ei põhjusta raadiolaineid üksteise kattumist ja informatsiooni kadumist faaside liitumise tõttu.
See nõuab keerulisi matemaatilisi arvutusi juurdepääsupunkti poolel. Kui terminal toetab seda funktsiooni, võimaldab MU-MIMO tal juurdepääsupunktile edastada, kui pika viivitusega ta signaali iga konkreetse antenni kaudu saab. Juurdepääsupunkt kohandab omakorda oma antenne optimaalselt suunatud kiiri kujundamiseks.
Mida see meile tervikuna annab?
Valgete ringide sees numbritega on tabelis märgitud Wi-Fi eelmiste generatsioonide praegused rakendusskenaarid. Sinised ringid (vt eespool olevat joonist) kirjeldavad Wi-Fi 6 võimeid, hallid ringid aga juba lähitulevikku.
Uute OFDMA tugi lahenduste peamised eelised on seotud ressursside üksustega, mis on ellu viidud tasemel, mis sarnaneb TDM (Time Division Multiplexing) süsteemidega. Varem ei olnud sellist midagi Wi-Fi-s. See võimaldab täpselt kontrollida eraldatud ribalaiust, tagades signaali edastamise minimaalset aega ja vajalikku usaldusväärsuse taset. Kindlasti ei kahtle keegi, et Wi-Fi usaldusväärsuse näitajad vajavad parandamist.
Ajalugu liikleb spiraalis ja praegune olukord sarnaneb sellele, mis kord juhtus Etherneti ümber. Juba sel ajal valitses arvamus, et CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) edastusmedia ei pakku mingisugust garantii läbivoolu osas. Ja nii oli kuni üleminekuni IEEE 802.3z.
Mis osas üldistest rakendusmudelitest, nagu näete, koos iga Wi-Fi põlvkonnaga kasvavad kasutussuunad, mis on üha tundlikumad viivituste, üldise ja usaldusväärsuse suhtes.
Ja jälle füüsilisest keskkonnast
Nüüd räägime, kuidas uus füüsiline keskkond kujuneb. CSMA/CA ja OFDM-i kasutamisel põhjustas aktiivsete punktide (Active STA) arvu suurenemine 20-megahertsise kanali läbilaskevõime tõsise languse. See oli seotud juba mainitud vanemate STC (Space-Time Coding) ja MRC (Maximum Ratio Combining) tehnoloogiatega.
OFDMA suudab tänu ressursiüksuste kasutamisele efektiivselt suhelda kaugemal asuvate ja nõrkade jaamadega. Me saame võimaluse töötada samas kandvas sageduses, kus kasutajad tarbivad erinevaid ressursimahte. Üks kasutaja võib kasutada ühte üksust, samas kui teine kasutaja võib kasutada kõiki ülejäänud.
Miks OFDMA-d varem ei olnud?
Ja lõpuks, peamine küsimus: miks OFDMA-d varem ei olnud? Kummalisel kombel kõik sõltus rahast.
Pikka aega peeti Wi-Fi mooduli hinda minimaalseks. Kui 1997. aastal käivitati protokoll kommertsiaisutuses, leiti, et sellise mooduli tootmiskulu ei tohiks ületada 1 dollarit. Selle tulemusena arenes tehnoloogia mitteoptimaalses suunas. Siin ei arvestata mobiilsideoperaatorite LTE-d, kus OFDMA-d on juba pikka aega kasutatud.
Lõpuks otsustas Wi-Fi töörühm võtta need teadusuuringud sideoperaatorite maailmast ja viia need ettevõttevõrkude maailma. Peamine ülesanne oli liikuda kvaliteetsemate elementide, näiteks filtrite ja osillaatorite kasutamise poole.
Miks oli meil nii keeruline töötada vanade MRC kodeeringutega, kui müra oli olemas või mitte? Sest MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) kiirgusmeetodi mehhanism suurendas kohe vigade arvu, kui me proovisime koondada suure hulga saatmispunkte. OFDMA tõestas, et probleem on lahendatav.
Interferentsiaga toimetulek põhineb nüüd matemaatikal. Kui teabeülekande aken on piisavalt pikk, toovad tekkivad dünaamilised interferentsid endaga kaasa probleemid. Uued tööalgoritmid võimaldavad neist kõrvale hoida, välistades mitte ainult Wi-Fi ülekandega seotud interferentsi, vaid ka igasuguse muu, mis sellel sagedusalal esineb.
Kohandatud interferentsivastase võitlusmeetodi abil saame keerulistes ebaühtlikes keskkondades saavutada kuni 11 dB kasu. Huawei enda algoritmiliste lahenduste kasutamine on võimaldanud tõsist optimeerimist just seal, kus seda on vaja - sisevõrkudes. See, mis on hea 5G-s, ei ole tingimata hea Wi-Fi 6 keskkonnas. Massive MIMO ja MU-MIMO lähenemised erinevad sise- ja välikeskkondades. Seal, kus see on vajalik, on sobilik kasutada kallis lahendusi, nagu 5G-s. Kuid vajalikud on ka teised variandid, näiteks Wi-Fi 6, mis suudavad pakkuda viivitusi ja muid näitajaid, mida oleme harjunud ootama sideoperaatoritelt.
Me võtame neilt neid tööriistu, mis on meile kasulikud kui äriarvutikasutajatele, ning seda kõike selleks, et tagada füüsiline keskkond, millele saab toetuda.
***
Muide, ärge unustage meie arvukaid veebinare Huawei 2020. aasta uuendustest, mida korraldatakse mitte ainult venekeelses segmentis vaid ka globaalsetes mõõtmetes. Järgmiste nädalate veebinaride nimekiri on saadaval siin .
Allikas: habr.com
