شیرجه عمیق به Wi-Fi 6: OFDMA و MU-MIMO

هواوی در پیشرفت‌های خود به Wi-Fi 6 متکی است. و سؤالات همکاران و مشتریان در مورد نسل جدید این استاندارد ما را بر آن داشت تا پستی درباره مبانی نظری و اصول فیزیکی تعبیه‌شده در آن بنویسیم. بیایید از تاریخ به فیزیک برویم و با جزئیات به دلیل نیاز به فناوری‌های OFDMA و MU-MIMO نگاه کنیم. بیایید همچنین در مورد اینکه چگونه یک رسانه انتقال داده فیزیکی با طراحی مجدد اساسی، دستیابی به ظرفیت کانال تضمین شده و چنان کاهشی در سطح کلی تأخیرها را ممکن کرد که با تاخیرهای یک اپراتور قابل مقایسه شدند، صحبت کنیم. و این در حالی است که شبکه های مدرن مبتنی بر 5G گران تر (به طور متوسط ​​20 تا 30 برابر) از شبکه های Wi-Fi 6 داخلی با قابلیت های مشابه هستند.

برای هواوی، موضوع به هیچ وجه بیکار نیست: راه حل هایی که از Wi-Fi 6 پشتیبانی می کنند، یکی از پیشرفته ترین محصولات ما در سال 2020 هستند که منابع عظیمی برای آن سرمایه گذاری شده است. در اینجا فقط یک مثال وجود دارد: تحقیقات در زمینه علم مواد به ما امکان داد آلیاژی را انتخاب کنیم که استفاده از آن در عناصر رادیویی یک نقطه دسترسی، نسبت سیگنال به نویز را 2-3 دسی بل افزایش داد: کلاه از Doron Ezri این دستاورد

کمی از تاریخ

منطقی است که تاریخچه Wi-Fi را به سال 1971 برگردانیم، زمانی که در دانشگاه هاوایی، پروفسور نورمن آبرامسون و گروهی از همکارانش شبکه داده بسته بی سیم ALOHAnet را توسعه، ساخت و راه اندازی کردند.

در سال 1980، گروهی از استانداردها و پروتکل های IEEE 802 مورد تایید قرار گرفت که سازماندهی دو لایه زیرین مدل شبکه هفت لایه OSI را توصیف می کند. قبل از انتشار اولین نسخه 802.11 باید 17 سال طولانی صبر می کردیم.

با پذیرش استاندارد 1997 در سال 802.11، دو سال قبل از تولد Wi-Fi Alliance، اولین نسل از محبوب ترین فناوری داده بی سیم امروزی وارد دنیای گسترده تر شد.

استاندارد IEEE 802. نسل های Wi-Fi

اولین استانداردی که واقعاً به طور گسترده توسط سازندگان تجهیزات پشتیبانی شد 802.11b بود. همانطور که می بینید، فراوانی نوآوری ها از پایان قرن بیستم کاملاً ثابت بوده است: تغییرات کیفی زمان می برد. در سال های اخیر، کارهای زیادی برای بهبود رسانه انتقال سیگنال فیزیکی انجام شده است. برای درک بهتر مشکلات مدرن وای فای، اجازه دهید به مبانی فیزیکی آن بپردازیم.

بیایید اصول اولیه را به خاطر بسپاریم!

امواج رادیویی مورد خاصی از امواج الکترومغناطیسی هستند - که از منبع اختلالات میدان الکتریکی و مغناطیسی منتشر می شوند. آنها با سه پارامتر اصلی مشخص می شوند: بردار موج، و همچنین بردارهای قدرت میدان الکتریکی و مغناطیسی. هر سه بر هم عمود هستند. در این حالت، فرکانس موج را معمولاً تعداد نوسانات تکراری می گویند که در واحد زمان قرار می گیرند.

همه اینها حقایق شناخته شده هستند. با این حال، برای رسیدن به پایان، مجبوریم از همان ابتدا شروع کنیم.

در مقیاس معمولی محدوده فرکانس تابش الکترومغناطیسی، محدوده رادیویی پایین ترین قسمت (فرکانس پایین) را اشغال می کند. این شامل امواج الکترومغناطیسی با فرکانس نوسان از 3 هرتز تا 3000 گیگاهرتز است. همه باندهای دیگر، از جمله نور مرئی، فرکانس بسیار بالاتری دارند.

هرچه فرکانس بالاتر باشد، انرژی بیشتری می تواند به موج رادیویی منتقل شود، اما در عین حال به خوبی دور موانع خم می شود و سریعتر ضعیف می شود. مخالفش هم درست است. با در نظر گرفتن این ویژگی ها، دو محدوده فرکانس اصلی برای عملکرد Wi-Fi انتخاب شد - 2,4 گیگاهرتز (باند فرکانس از 2,4000 تا 2,4835 گیگاهرتز) و 5 گیگاهرتز (باند فرکانس 5,170-5,330، 5,490-5,730-5,735-Hz).

امواج رادیویی در همه جهات منتشر می شوند و به منظور جلوگیری از تأثیرگذاری پیام ها بر یکدیگر به دلیل تأثیر تداخل، باند فرکانس معمولاً به بخش های باریک جداگانه تقسیم می شود - کانال هایی با یک یا دیگری پهنای باند. نمودار بالا نشان می دهد که کانال های 1 و 2 مجاور با پهنای باند 20 مگاهرتز با یکدیگر تداخل دارند، اما 1 و 6 تداخل ندارند.

سیگنال داخل کانال با استفاده از یک موج رادیویی در فرکانس حامل مشخصی منتقل می شود. برای انتقال اطلاعات، پارامترهای موج می تواند باشد تعدیل کردن با فرکانس، دامنه یا فاز.

جداسازی کانال در محدوده فرکانس Wi-Fi

محدوده فرکانس 2,4 گیگاهرتز به 14 کانال تا حدی همپوشانی با عرض بهینه 20 مگاهرتز تقسیم می شود. زمانی اعتقاد بر این بود که این برای سازماندهی یک شبکه بی سیم پیچیده کافی است. به زودی مشخص شد که ظرفیت این محدوده به سرعت در حال اتمام است، بنابراین محدوده 5 گیگاهرتز به آن اضافه شد که ظرفیت طیفی آن بسیار بیشتر است. در آن علاوه بر کانال های 20 مگاهرتز، امکان تخصیص کانال هایی با عرض 40 و 80 مگاهرتز نیز وجود دارد.

برای بهبود بیشتر کارایی استفاده از طیف فرکانس رادیویی، فناوری مالتی پلکسی تقسیم فرکانس متعامد اکنون به طور گسترده استفاده می شود.OFDM).

این شامل استفاده از فرکانس حامل، چندین فرکانس فرکانس در یک کانال است که امکان انتقال موازی داده را فراهم می کند. OFDM به شما امکان می دهد ترافیک را به روش "گرانول" نسبتاً راحت توزیع کنید ، اما به دلیل قدمت قابل احترام آن ، تعدادی از معایب قابل توجهی را حفظ می کند. از جمله آنها می توان به اصول کار با استفاده از پروتکل شبکه CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) اشاره کرد که طبق آن فقط یک کاربر می تواند در زمان های معینی بر روی یک حامل و فرعی کار کند.

جریان های فضایی

یک راه مهم برای افزایش توان عملیاتی شبکه بی سیم از طریق استفاده از جریان های فضایی است.

نقطه دسترسی چندین ماژول رادیویی (یک، دو یا چند) را حمل می کند که به تعداد مشخصی آنتن متصل هستند. این آنتن ها بر اساس یک الگو و مدولاسیون خاص تابش می کنند و من و شما اطلاعاتی را دریافت می کنیم که از طریق یک رسانه بی سیم منتقل می شود. جریان فضایی می تواند بین یک آنتن فیزیکی خاص (ماژول رادیویی) نقطه دسترسی و دستگاه کاربر تشکیل شود. با تشکر از این، حجم کل اطلاعات ارسال شده از نقطه دسترسی چندین برابر تعداد جریان ها (آنتن ها) افزایش می یابد.

طبق استانداردهای فعلی، حداکثر چهار جریان فضایی در باند 2,4 گیگاهرتز و حداکثر تا هشت جریان در باند 5 گیگاهرتز قابل اجرا است.

قبلاً هنگام کار در باندهای 2,4 و 5 گیگاهرتز، فقط روی تعداد ماژول های رادیویی تمرکز می کردیم. وجود یک ماژول رادیویی دوم انعطاف‌پذیری بیشتری را فراهم کرد، زیرا به دستگاه‌های مشترک قدیمی اجازه می‌داد در فرکانس 2,4 گیگاهرتز و موارد جدید با فرکانس 5 گیگاهرتز کار کنند. با ظهور ماژول های رادیویی سوم و بعدی، مشکلاتی به وجود آمد. عناصر تشعشعی تمایل به تداخل با یکدیگر دارند که به دلیل نیاز به طراحی بهتر و تجهیز نقطه دسترسی به فیلترهای جبران، هزینه دستگاه را افزایش می دهد. بنابراین اخیراً امکان پشتیبانی همزمان 16 جریان فضایی در هر نقطه دسترسی فراهم شده است.

سرعت عملی و تئوری

به دلیل مکانیزم های عملیاتی OFDM، ما نتوانستیم حداکثر توان عملیاتی شبکه را بدست آوریم. محاسبات نظری برای اجرای عملی OFDM مدت‌ها پیش و تنها در رابطه با محیط‌های ایده‌آل انجام شد، جایی که نسبت سیگنال به نویز نسبتاً بالا (SNR) و نرخ خطای بیت (BER) قابل پیش‌بینی بود. در شرایط مدرن نویز قوی در تمام طیف‌های فرکانس رادیویی مورد علاقه ما، توان عملیاتی شبکه‌های مبتنی بر OFDM به طرز افسرده‌ای کم است. و پروتکل این کاستی‌ها را تا همین اواخر ادامه داد تا اینکه فناوری OFDMA (دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس متعامد) به کمک آمد. درباره او - کمی جلوتر.

بیایید در مورد آنتن صحبت کنیم

همانطور که می دانید، هر آنتن دارای یک بهره است که بسته به مقدار آن، یک الگوی فضایی انتشار سیگنال (تشکیل پرتو) با یک منطقه پوشش خاص تشکیل می شود (ما بازتاب مجدد سیگنال و غیره را در نظر نمی گیریم). این دقیقاً همان چیزی است که طراحان همیشه استدلال خود را بر اساس مکان هایی که دقیقاً نقاط دسترسی باید قرار بگیرند، استوار کرده اند. برای مدت طولانی، شکل الگو بدون تغییر باقی ماند و فقط متناسب با ویژگی های آنتن افزایش یا کاهش یافت.

عناصر آنتن مدرن روز به روز قابل کنترل تر می شوند و تغییرات دینامیکی را در الگوی فضایی انتشار سیگنال در زمان واقعی امکان پذیر می کنند.

شکل سمت چپ بالا اصل انتشار امواج رادیویی را با استفاده از یک آنتن استاندارد همه جهته نشان می دهد. با افزایش قدرت سیگنال، ما فقط می‌توانیم شعاع پوشش را بدون توانایی تأثیر قابل توجهی بر کیفیت استفاده از کانال - KQI (شاخص‌های کیفیت کلیدی) تغییر دهیم. و این شاخص هنگام سازماندهی ارتباطات در شرایط حرکت مکرر دستگاه مشترک در یک محیط بی سیم بسیار مهم است.

راه حل این مشکل استفاده از تعداد زیادی آنتن کوچک بود که بار آن را می توان در زمان واقعی تنظیم کرد و بسته به موقعیت مکانی کاربر الگوهای انتشار را تشکیل داد.

بنابراین، امکان نزدیک شدن به استفاده از فناوری MU-MIMO (ورودی چند کاربر چندگانه، خروجی چندگانه) وجود داشت. با کمک آن، نقطه دسترسی در هر زمان، جریان های تشعشعی را به طور خاص به سمت دستگاه های مشترک تولید می کند.

از فیزیک تا استانداردهای 802.11

با تکامل استانداردهای Wi-Fi، اصول کار با لایه فیزیکی شبکه تغییر کرد. استفاده از سایر مکانیسم‌های مدولاسیون این امکان را فراهم کرده است - با شروع نسخه‌های 802.11g/n - حجم بسیار بیشتری از اطلاعات را در یک شکاف زمانی قرار داده و بر این اساس، با تعداد بیشتری از کاربران کار کنید. از جمله، این امر با استفاده از جریان های فضایی به دست آمد. و انعطاف پذیری جدید در عرض کانال، تولید منابع بیشتری را برای MIMO ممکن کرده است.

تایید استاندارد Wi-Fi 7 برای سال آینده برنامه ریزی شده است، با ورود آن چه تغییری خواهد کرد؟ علاوه بر افزایش معمول سرعت و اضافه شدن باند 6 گیگاهرتز، امکان کار با کانال های انبوه گسترده مانند 320 مگاهرتز نیز وجود خواهد داشت. این امر به ویژه در زمینه کاربردهای صنعتی جالب است.

توان عملیاتی Wi-Fi 6 نظری

فرمول نظری برای محاسبه سرعت اسمی Wi-Fi 6 کاملاً پیچیده است و به پارامترهای زیادی بستگی دارد، از تعداد جریان‌های فضایی شروع می‌شود و با اطلاعاتی که می‌توانیم در یک Subcarrier (یا Subcarrier، در صورت وجود چندین مورد از آن‌ها وجود داشته باشد، پایان دهیم.) آنها) در واحد زمان.

همانطور که می بینید، مقدار زیادی به جریان های فضایی بستگی دارد. اما پیش از این، افزایش تعداد آنها در ترکیب با استفاده از STC (Space-Time Coding) و MRC (Maximum Ratio Combining) عملکرد راه حل بی سیم را در کل بدتر کرد.

فن آوری های جدید لایه فیزیکی کلیدی

بیایید به فناوری های کلیدی لایه فیزیکی برویم - و با اولین لایه مدل شبکه OSI شروع کنیم.

به یاد بیاوریم که OFDM از تعداد معینی از حامل های فرعی استفاده می کند که بدون تأثیر بر یکدیگر، قادر به انتقال مقدار مشخصی از اطلاعات هستند.

در مثال، از باند 5,220 گیگاهرتز استفاده می کنیم که شامل 48 کانال فرعی است. با تجمیع این کانال، تعداد بیشتری از subcarrierها را بدست می آوریم که هر کدام از آنها از طرح مدولاسیون خود استفاده می کنند.

Wi-Fi 5 از مدولاسیون دامنه مربعی 256 QAM (مدولاسیون دامنه چهارگانه) استفاده می کند که به شما امکان می دهد یک میدان 16×16 در فرکانس حامل در یک شکاف زمانی تشکیل دهید که در دامنه و فاز متفاوت است. ناراحتی این است که در هر لحظه فقط یک ایستگاه می تواند روی فرکانس حامل ارسال کند.

مالتی پلکسی تقسیم فرکانس متعامد (OFDMA) از دنیای اپراتورهای تلفن همراه آمده است، به طور همزمان با LTE گسترده شد و برای سازماندهی یک لینک پایین (کانال ارتباطی با مشترک) استفاده می شود. این به شما امکان می دهد با کانال در سطح واحدهای به اصطلاح منبع کار کنید. این واحدها به تجزیه یک بلوک به تعداد مشخصی از اجزا کمک می کنند. در یک بلوک، در هر لحظه نمی‌توانیم با یک عنصر منتشرکننده (کاربر یا نقطه دسترسی) کار کنیم، بلکه ده‌ها عنصر را با هم ترکیب کنیم. این به شما امکان می دهد به نتایج قابل توجهی برسید.

اتصال آسان کانال ها در وای فای 6

اتصال کانال در Wi-Fi 6 به شما امکان می دهد کانال های ترکیبی با عرض 20 تا 160 مگاهرتز را بدست آورید. علاوه بر این، اتصال لازم نیست در محدوده های نزدیک انجام شود. به عنوان مثال، یک بلوک را می توان از باند 5,17 گیگاهرتز و دومی را از باند 5,135 گیگاهرتز گرفت. این به شما امکان می دهد حتی در حضور عوامل تداخل قوی یا در مجاورت سایر ایستگاه های دائماً منتشر کننده، به طور انعطاف پذیر یک محیط رادیویی بسازید.

از SIMO تا MIMO

روش MIMO همیشه همراه ما نبوده است. روزی روزگاری ارتباطات سیار باید به حالت SIMO محدود می شد که به معنای حضور چندین آنتن در ایستگاه مشترک بود که به طور همزمان برای دریافت اطلاعات کار می کردند.

MU-MIMO برای انتقال اطلاعات به کاربران با استفاده از کل موجودی آنتن فعلی طراحی شده است. این محدودیت‌هایی را که قبلاً توسط پروتکل CSMA/CA مرتبط با ارسال توکن‌ها به دستگاه‌های مشترک برای انتقال اعمال شده بود، حذف می‌کند. اکنون کاربران در یک گروه متحد شده‌اند و هر یک از اعضای گروه سهم خود را از منبع آنتن نقطه دسترسی دریافت می‌کنند، نه اینکه منتظر نوبت خود باشند.

تشکیل پرتو رادیویی

یک قانون مهم برای عملکرد MU-MIMO حفظ حالتی از عملکرد آرایه آنتن است که منجر به همپوشانی متقابل امواج رادیویی و از دست دادن اطلاعات به دلیل اضافه شدن فاز نشود.

این نیاز به محاسبات پیچیده ریاضی در سمت نقطه دسترسی دارد. اگر ترمینال از این ویژگی پشتیبانی کند، MU-MIMO به آن اجازه می دهد تا به نقطه دسترسی بگوید که دریافت سیگنال در هر آنتن خاص چقدر طول می کشد. و نقطه دسترسی، به نوبه خود، آنتن های خود را تنظیم می کند تا یک پرتو بهینه هدایت شود.

این به طور کلی چه چیزی به ما می دهد؟

دایره های سفید با اعداد در جدول سناریوهای فعلی استفاده از Wi-Fi نسل های قبلی را نشان می دهد. دایره های آبی (به تصویر بالا مراجعه کنید) قابلیت های Wi-Fi 6 را توصیف می کنند و دایره های خاکستری مربوط به آینده نزدیک هستند.

مزایای اصلی راه حل های جدید با قابلیت OFDMA مربوط به واحدهای منبعی است که در سطحی مشابه TDM (Time Division Multiplexing) پیاده سازی شده اند. قبلاً در مورد وای فای اینطور نبود. این به شما امکان می دهد تا پهنای باند اختصاص داده شده را به وضوح کنترل کنید و از حداقل زمان انتقال سیگنال از طریق رسانه و سطح مورد نیاز اطمینان اطمینان حاصل کنید. خوشبختانه، هیچ کس شک ندارد که شاخص های قابلیت اطمینان Wi-Fi نیاز به بهبود دارند.

تاریخ به صورت مارپیچی حرکت می کند و وضعیت فعلی مشابه وضعیتی است که در یک زمان در اطراف اترنت ایجاد شده بود. حتی در آن زمان، این عقیده ثابت شد که رسانه انتقال CSMA/CD (دسترسی چندگانه با حس حامل با تشخیص برخورد) هیچ توان عملیاتی تضمین شده ای را ارائه نمی دهد. و این تا زمان انتقال به IEEE 802.3z ادامه یافت.

در مورد مدل‌های کاربردی عمومی، همانطور که مشاهده می‌کنید، با هر نسل از Wi-Fi، سناریوهای استفاده از آن چند برابر می‌شود، حساسیت بیشتری نسبت به تاخیر، عمومی عصبانی شدن و قابلیت اطمینان

و دوباره در مورد محیط فیزیکی

خوب، حالا بیایید در مورد چگونگی شکل گیری محیط فیزیکی جدید صحبت کنیم. هنگام استفاده از CSMA/CA و OFDM، افزایش تعداد STA های فعال منجر به افت جدی توان عملیاتی کانال 20 مگاهرتز شد. این به دلیل چیزی بود که قبلاً ذکر شد: نه جدیدترین فناوری های STC (Space-Time Coding) و MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA، از طریق استفاده از واحدهای منبع، می تواند به طور موثر با ایستگاه های مسافت طولانی و کم مصرف تعامل داشته باشد. ما این فرصت را داریم که با کاربرانی که مقادیر متفاوتی از منابع را مصرف می کنند، در یک محدوده حامل کار کنیم. یک کاربر می تواند یک واحد را اشغال کند و دیگری - همه بقیه.

چرا قبلاً OFDMA وجود نداشت؟

و در نهایت، سوال اصلی: چرا قبلا OFDMA وجود نداشت؟ به اندازه کافی عجیب، همه چیز به پول ختم شد.

برای مدت طولانی اعتقاد بر این بود که قیمت یک ماژول Wi-Fi باید حداقل باشد. هنگامی که این پروتکل در سال 1997 به بهره برداری تجاری رسید، تصمیم گرفته شد که هزینه تولید چنین ماژولی نمی تواند از 1 دلار تجاوز کند. در نتیجه، توسعه فناوری مسیری نابهینه را طی کرد. در اینجا ما اپراتور LTE را در نظر نمی گیریم، جایی که OFDMA برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته است.

در نهایت، کارگروه Wi-Fi تصمیم گرفت این پیشرفت ها را از دنیای اپراتورهای مخابراتی گرفته و به دنیای شبکه های سازمانی بیاورد. وظیفه اصلی انتقال به استفاده از عناصر با کیفیت بالاتر، مانند فیلترها و اسیلاتورها بود.

چرا کار در رمزگذاری های قدیمی MRC با یا بدون تداخل برای ما اینقدر سخت بود؟ زیرا مکانیزم شکل دهی پرتو MVDR (مینیمم واریانس بدون اعوجاج) به محض اینکه سعی کردیم تعداد زیادی از نقاط ارسال را ترکیب کنیم، تعداد خطاها را به طرز چشمگیری افزایش داد. OFDMA ثابت کرده است که مشکل قابل حل است.

مبارزه با تداخل اکنون بر پایه ریاضیات است. اگر پنجره انتقال به اندازه کافی طولانی باشد، تداخل دینامیکی حاصل مشکلاتی را ایجاد می کند. الگوریتم‌های عملیاتی جدید، اجتناب از آنها را امکان‌پذیر می‌سازد و تأثیر تداخلات مرتبط با انتقال Wi-Fi را نیز از بین می‌برد، بلکه تأثیر هر نوع دیگری را که در این محدوده رخ می‌دهد نیز از بین می‌برد.

به لطف ضد تداخل تطبیقی، ما می‌توانیم حتی در محیط‌های ناهمگن پیچیده، به بهره‌هایی تا ۱۱ دسی‌بل دست یابیم. استفاده از راه‌حل‌های الگوریتمی خود هوآوی، دستیابی به بهینه‌سازی جدی را دقیقاً در جایی که لازم بود - در راه‌حل‌های داخلی امکان‌پذیر کرد. آنچه در 11G خوب است لزوماً در محیط Wi-Fi 5 خوب نیست. رویکردهای عظیم MIMO و MU-MIMO در مورد راه حل های داخلی و خارجی متفاوت است. در صورت لزوم، استفاده از راه حل های گران قیمت، مانند 6G، مناسب است. اما گزینه های دیگری مانند Wi-Fi 5 مورد نیاز است که می تواند تأخیر و سایر معیارهایی را که ما از اپراتورها انتظار داریم را ارائه دهد.

ما ابزارهایی را از آنها قرض می‌گیریم که برای ما به عنوان مصرف‌کنندگان سازمانی مفید خواهد بود، همگی در تلاش برای ارائه یک محیط فیزیکی که بتوانیم بر آن تکیه کنیم.

***

به هر حال، وبینارهای متعدد ما در مورد محصولات جدید Huawei در سال 2020 را فراموش نکنید که نه تنها در بخش روسی زبان، بلکه در سطح جهانی نیز برگزار می شود. لیستی از وبینارها برای هفته های آینده در دسترس است پیوند.

منبع: www.habr.com