Kehityksessään Huawei luottaa Wi-Fi 6:een. Ja kollegoiden ja asiakkaiden kysymykset standardin uudesta sukupolvesta sai meidät kirjoittamaan postauksen siihen upotetuista teoreettisista perusteista ja fyysisistä periaatteista. Siirrytään historiasta fysiikkaan ja tarkastellaan yksityiskohtaisesti, miksi OFDMA- ja MU-MIMO-tekniikoita tarvitaan. Puhutaan myös siitä, kuinka perusteellisesti uusittu fyysinen tiedonsiirtoväline mahdollisti taatun kanavakapasiteetin ja kokonaisviiveiden pienenemisen niin, että niistä tuli verrattavissa operaattorin viiveisiin. Ja tämä huolimatta siitä, että nykyaikaiset 5G-pohjaiset verkot ovat kalliimpia (keskimäärin 20–30 kertaa) kuin sisätilojen Wi-Fi 6 -verkot, joilla on samanlaiset ominaisuudet.
Huaweille aihe ei suinkaan ole tyhjäkäynti: Wi-Fi 6:ta tukevat ratkaisut ovat vuoden 2020 läpimurtotuotteitamme, joihin on panostettu valtavasti. Tässä vain yksi esimerkki: materiaalitieteen alan tutkimukset antoivat meille mahdollisuuden valita seoksen, jonka käyttö tukiaseman radioelementeissä lisäsi signaali-kohinasuhdetta 2-3 dB: hatun nosto Doron Ezrille. tämä saavutus.
Vähän historiaa
Wi-Fin historia on järkevää laskea vuoteen 1971, jolloin Havaijin yliopistossa professori Norman Abramson ja ryhmä kollegoja kehittivät, rakensivat ja lanseerasivat langattoman ALOHAnet-pakettidataverkon.
Vuonna 1980 hyväksyttiin joukko standardeja ja protokollia IEEE 802, joka kuvaa seitsemänkerroksisen OSI-verkkomallin kahden alemman kerroksen organisaatiota. Meidän piti odottaa 802.11 pitkää vuotta ennen kuin ensimmäinen versio 17 julkaistiin.
Kun 1997-standardi otettiin käyttöön vuonna 802.11, kaksi vuotta ennen Wi-Fi Alliancen syntymää, nykypäivän suosituimman langattoman datatekniikan ensimmäinen sukupolvi tuli laajempaan maailmaan.
Standardi IEEE 802. Wi-Fi-sukupolvet
Ensimmäinen laitevalmistajien todella laajasti tukema standardi oli 802.11b. Kuten näette, innovaatioiden taajuus on ollut melko vakaa XNUMX-luvun lopusta lähtien: laadulliset muutokset vievät aikaa. Viime vuosina on tehty paljon työtä fyysisen signaalinsiirtovälineen parantamiseksi. Ymmärtääksemme paremmin Wi-Fi:n nykyaikaisia ongelmia, käännytään sen fyysisiin perusteisiin.
Muistetaan perusasiat!
Radioaallot ovat sähkömagneettisten aaltojen erikoistapaus - ne leviävät sähkö- ja magneettikentän häiriöiden lähteestä. Niille on tunnusomaista kolme pääparametria: aaltovektori sekä sähkö- ja magneettikentän voimakkuusvektorit. Kaikki kolme ovat keskenään kohtisuorassa toisiinsa nähden. Tässä tapauksessa aallon taajuudeksi kutsutaan yleensä toistuvien värähtelyjen lukumäärää, jotka sopivat aikayksikköön.
Kaikki nämä ovat tunnettuja tosiasioita. Päästäksemme loppuun, meidän on kuitenkin aloitettava aivan alusta.
Sähkömagneettisen säteilyn taajuusalueiden tavanomaisella asteikolla radioalue on alimman (matalataajuisen) osan. Se sisältää sähkömagneettisia aaltoja, joiden värähtelytaajuus on 3 Hz - 3000 GHz. Kaikilla muilla kaistoilla, mukaan lukien näkyvä valo, on paljon korkeampi taajuus.
Mitä korkeampi taajuus, sitä enemmän energiaa radioaaltoon voidaan siirtää, mutta samalla se taipuu esteiden ympärille huonommin ja vaimentaa nopeammin. Myös päinvastoin on totta. Nämä ominaisuudet huomioon ottaen Wi-Fi-toiminnalle valittiin kaksi päätaajuusaluetta - 2,4 GHz (taajuuskaista 2,4000-2,4835 GHz) ja 5 GHz (taajuusalueet 5,170-5,330, 5,490-5,730 ja 5,735 GHz).
Radioaallot leviävät kaikkiin suuntiin, ja jotta viestit eivät vaikuttaisi toisiinsa häiriövaikutuksen vuoksi, taajuuskaista on yleensä jaettu erillisiin kapeisiin osiin - kanaviin jollakin tai toisella. . Yllä oleva kaavio osoittaa, että vierekkäiset kanavat 1 ja 2, joiden kaistanleveys on 20 MHz, häiritsevät toisiaan, mutta 1 ja 6 eivät häiritse toisiaan.
Kanavan sisällä oleva signaali lähetetään radioaallon avulla tietyllä kantoaaltotaajuudella. Tiedon välittämiseksi aaltoparametrit voivat olla taajuuden, amplitudin tai vaiheen mukaan.
Kanavien erottelu Wi-Fi-taajuusalueilla
2,4 GHz:n taajuusalue on jaettu 14 osittain päällekkäiseen kanavaan, joiden optimaalinen leveys on 20 MHz. Kerran uskottiin, että tämä riitti monimutkaisen langattoman verkon järjestämiseen. Pian kävi selväksi, että alueen kapasiteetti oli kovaa vauhtia loppumassa, joten siihen lisättiin 5 GHz:n alue, jonka spektrikapasiteetti on paljon suurempi. Siinä 20 MHz kanavien lisäksi on mahdollista allokoida kanavia, joiden leveys on 40 ja 80 MHz.
Radiotaajuusspektrin käytön tehokkuuden parantamiseksi edelleen ortogonaalista taajuusjakoista multipleksointitekniikkaa käytetään nykyään laajalti ().
Siinä käytetään kantoaaltotaajuuden ohella useita apukantoaaltotaajuuksia samassa kanavassa, mikä mahdollistaa rinnakkaisen tiedonsiirron. OFDM mahdollistaa liikenteen jakamisen melko kätevällä "rakeisella" tavalla, mutta kunnioitetun ikänsä vuoksi sillä on useita merkittäviä haittoja. Niiden joukossa ovat CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) -verkkoprotokollan käytön periaatteet, joiden mukaan vain yksi käyttäjä voi työskennellä yhdellä kantoaalto- ja apukantoaaltoalueella tiettyinä aikoina.
Avaruusvirrat
Tärkeä tapa lisätä langattoman verkon suorituskykyä on käyttää spatiaalisia virtauksia.
Tukiasemassa on useita radiomoduuleja (yksi, kaksi tai useampia), jotka on kytketty tiettyyn määrään antenneja. Nämä antennit säteilevät tietyn kuvion ja modulaation mukaan, ja sinä ja minä vastaanotamme langattoman välineen kautta lähetettyä tietoa. Tilavirta voidaan muodostaa tukiaseman tietyn fyysisen antennin (radiomoduulin) ja käyttäjälaitteen välille. Tämän ansiosta tukiasemalta lähetettävän tiedon kokonaismäärä kasvaa moninkertaiseksi virtojen (antennien) lukumäärästä.
Nykyisten standardien mukaan jopa neljä spatiaalista virtaa voidaan toteuttaa 2,4 GHz:n kaistalla ja enintään kahdeksan 5 GHz:n kaistalla.
Aiemmin 2,4 ja 5 GHz taajuuksilla työskennellessämme keskityimme vain radiomoduulien määrään. Toisen radiomoduulin olemassaolo tarjosi lisää joustavuutta, koska sen avulla vanhat tilaajalaitteet pystyivät toimimaan 2,4 GHz:n taajuudella ja uudet 5 GHz:n taajuudella. Kolmannen ja sitä seuraavien radiomoduulien myötä ilmeni joitain ongelmia. Säteilevät elementit pyrkivät häiritsemään toisiaan, mikä lisää laitteen kustannuksia johtuen paremmasta suunnittelusta ja tukipisteen varustamisesta kompensointisuodattimilla. Joten vasta äskettäin on tullut mahdolliseksi tukea samanaikaisesti 16 tilatietovirtaa tukiasemaa kohti.
Käytännön ja teoreettinen nopeus
OFDM-toimintamekanismeista johtuen emme voineet saavuttaa maksimaalista verkon läpäisykykyä. Teoreettiset laskelmat OFDM:n käytännön toteutuksesta tehtiin kauan sitten ja vain suhteessa ihanteellisiin ympäristöihin, joissa oli odotettavissa melko korkea signaali-kohinasuhde (SNR) ja bittivirhesuhde (BER). Nykyaikaisissa voimakkaan kohinan olosuhteissa kaikilla meitä kiinnostavilla radiotaajuusspektreillä OFDM-pohjaisten verkkojen suorituskyky on masentavan alhainen. Ja protokolla jatkoi näitä puutteita viime aikoihin asti, kunnes OFDMA (ortogonaalinen taajuusjakoinen monipääsy) -tekniikka tuli apuun. Hänestä - hieman pidemmälle.
Puhutaanpa antenneista
Kuten tiedätte, jokaisella antennilla on vahvistus, jonka arvosta riippuen muodostuu signaalin etenemisen (keilanmuodostus) spatiaalinen kuvio tietyllä peittoalueella (emme ota huomioon signaalin uudelleenheijastusta jne.). Juuri tähän suunnittelijat ovat aina perustaneet perustelunsa siihen, mihin tukipisteet tarkalleen ottaen tulisi sijoittaa. Pitkän aikaa kuvion muoto pysyi muuttumattomana ja vain kasvoi tai pieneni suhteessa antennin ominaisuuksiin.
Nykyaikaiset antennielementit ovat yhä enemmän hallittavissa ja mahdollistavat dynaamisia muutoksia signaalin etenemisen tilakuviossa reaaliajassa.
Yllä oleva vasemmanpuoleinen kuva esittää radioaaltojen etenemisen periaatetta käyttämällä tavallista ympärisuuntaista antennia. Signaalin tehoa lisäämällä voisimme muuttaa vain peittoalueen sädettä ilman kykyä vaikuttaa merkittävästi kanavan käytön laatuun - KQI (Key Quality Indicators). Ja tämä indikaattori on erittäin tärkeä järjestettäessä viestintää tilaajalaitteen toistuvan liikkumisen olosuhteissa langattomassa ympäristössä.
Ratkaisu ongelmaan oli suuren määrän pienten antennien käyttö, joiden kuormitusta voidaan säätää reaaliajassa, jolloin muodostuu etenemiskuvioita käyttäjän tilapaikasta riippuen.
Näin oli mahdollista päästä lähelle MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) -teknologian käyttöä. Sen avulla tukiasema tuottaa milloin tahansa säteilyvirtauksia, jotka on suunnattu erityisesti tilaajalaitteisiin.
Fysiikasta 802.11-standardeihin
Wi-Fi-standardien kehittyessä verkon fyysisen kerroksen kanssa työskentelyn periaatteet muuttuivat. Muiden modulaatiomekanismien käyttö on mahdollistanut - 802.11g/n versioista alkaen - aikaväliin mahtuvan paljon suuremman tietomäärän ja siten työskentelyn suuremman käyttäjämäärän kanssa. Tämä saavutettiin muun muassa tilavirtojen avulla. Ja kanavan leveyden uusi joustavuus on mahdollistanut enemmän resurssien luomisen MIMO:lle.
Wi-Fi 7 -standardin hyväksyntä on suunniteltu ensi vuonna. Mikä muuttuu sen saapuessa? Tavanomaisen nopeuden lisäyksen ja 6 GHz:n kaistan lisäyksen lisäksi on mahdollista työskennellä laajojen aggregoitujen kanavien kanssa, kuten 320 MHz. Tämä on erityisen mielenkiintoista teollisten sovellusten yhteydessä.
Teoreettinen Wi-Fi 6 -siirtonopeus
Teoreettinen kaava Wi-Fi 6:n nimellisnopeuden laskemiseksi on melko monimutkainen ja riippuu monista parametreista alkaen tilavirtojen määrästä ja päättyen tietoihin, jotka voimme laittaa apukantoaaltoon (tai alikantoaaltoisiin, jos niitä on useita niitä) aikayksikköä kohden.
Kuten näet, paljon riippuu tilavirroista. Mutta ennen niiden määrän kasvu yhdessä STC:n (Space-Time Coding) ja MRC:n (Maximum Ratio Combining) käytön kanssa heikensi langattoman ratkaisun suorituskykyä kokonaisuutena.
Uudet keskeiset fyysisen kerroksen teknologiat
Siirrytään fyysisen kerroksen avainteknologioihin - ja aloitetaan OSI-verkkomallin ensimmäisestä kerroksesta.
Muistetaan, että OFDM käyttää tiettyä määrää apukantoaaltoja, jotka toisiinsa vaikuttamatta pystyvät välittämään tietyn määrän informaatiota.
Esimerkissä käytämme 5,220 GHz:n kaistaa, joka sisältää 48 alikanavaa. Aggregoimalla tämä kanava saamme suuremman määrän alikantoaaltoja, joista jokainen käyttää omaa modulaatiomalliaan.
Wi-Fi 5 käyttää kvadratuuriamplitudimodulaatiota 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), jonka avulla voit muodostaa 16 x 16 pisteen kentän kantoaaltotaajuuteen yhdessä aikavälissä, joka eroaa amplitudista ja vaiheesta. Haittana on se, että kulloinkin vain yksi asema voi lähettää kantoaaltotaajuudella.
Ortogonaalinen taajuusjakoinen multipleksointi (OFDMA) tuli matkaviestinoperaattoreiden maailmasta, yleistyi samanaikaisesti LTE:n kanssa ja sitä käytetään alaslinkin (viestintäkanavan tilaajalle) järjestämiseen. Sen avulla voit työskennellä kanavan kanssa niin sanottujen resurssiyksiköiden tasolla. Nämä yksiköt auttavat hajottamaan lohkon tiettyyn määrään komponentteja. Lohkon sisällä joka hetki emme voi työskennellä tiukasti yhden lähettävän elementin (käyttäjän tai tukiaseman) kanssa, vaan yhdistää kymmeniä elementtejä. Näin voit saavuttaa merkittäviä tuloksia.
Helppo yhdistää kanavat Wi-Fi 6:ssa
Channel Bonding Wi-Fi 6:ssa mahdollistaa yhdistettyjen 20–160 MHz:n leveyskanavien muodostamisen. Lisäksi yhteyttä ei tarvitse tehdä lähialueilla. Esimerkiksi yksi lohko voidaan ottaa 5,17 GHz:n kaistalta ja toinen 5,135 GHz:n kaistalta. Näin voit rakentaa joustavasti radioympäristön myös voimakkaiden häiriötekijöiden läsnä ollessa tai muiden jatkuvasti lähettävien asemien läheisyydessä.
SIMosta MIMO:hon
MIMO-menetelmä ei ole aina ollut mukanamme. Aikoinaan matkaviestintä oli rajoitettava SIMO-moodiin, mikä merkitsi useiden antennien läsnäoloa tilaaja-asemassa, jotka toimivat samanaikaisesti tiedon vastaanottamiseksi.
MU-MIMO on suunniteltu välittämään tietoa käyttäjille koko nykyisen antennivaraston avulla. Tämä poistaa CSMA/CA-protokollan aiemmin asettamat rajoitukset, jotka liittyivät tokenien lähettämiseen tilaajalaitteisiin lähetystä varten. Nyt käyttäjät ovat yhdistyneet ryhmään ja jokainen ryhmän jäsen saa osuutensa tukiaseman antenniresursseista sen sijaan, että odottaisi vuoroaan.
Radiosäteen muodostus
Tärkeä sääntö MU-MIMO:n toiminnalle on ylläpitää antenniryhmän toimintatapaa, joka ei johtaisi radioaaltojen keskinäiseen päällekkäisyyteen ja informaation menetykseen vaiheen lisäyksen vuoksi.
Tämä vaatii monimutkaisia matemaattisia laskelmia tukiaseman puolelta. Jos pääte tukee tätä ominaisuutta, MU-MIMO antaa sen kertoa tukiasemalle, kuinka kauan kestää signaalin vastaanottaminen kussakin tietyssä antennissa. Ja tukiasema puolestaan säätää antenninsa muodostamaan optimaalisesti suunnatun säteen.
Mitä tämä antaa meille yleisesti?
Taulukossa olevat valkoiset ympyrät numeroineen osoittavat tämänhetkisiä skenaarioita aiempien sukupolvien Wi-Fi-yhteydelle. Siniset ympyrät (katso kuva yllä) kuvaavat Wi-Fi 6:n ominaisuuksia, ja harmaat ovat lähitulevaisuudessa.
Uusien OFDMA-pohjaisten ratkaisujen tärkeimmät edut liittyvät TDM:n (Time Division Multiplexing) tasolla toteutettuihin resurssiyksiköihin. Tällaista ei ollut koskaan aiemmin Wi-Fin kanssa. Tämän avulla voit hallita selkeästi allokoitua kaistanleveyttä, mikä varmistaa minimaalisen signaalin siirtoajan välineen läpi ja vaaditun luotettavuuden. Onneksi kukaan ei epäile, etteikö Wi-Fi-luotettavuusindikaattoreita olisi parannettava.
Historia liikkuu kierteessä, ja nykyinen tilanne on samanlainen kuin Ethernetin ympärille aikoinaan kehittynyt tilanne. Jo tuolloin vakiintui mielipide, että CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) -lähetysmedia ei tarjoa mitään taattua läpimenoa. Ja tämä jatkui IEEE 802.3z:ään siirtymiseen asti.
Mitä tulee yleisiin sovellusmalleihin, kuten näet, jokaisen Wi-Fi-sukupolven yhteydessä sen käyttöskenaariot moninkertaistuvat, ovat yhä herkempiä viiveille, yleiset ja luotettavuus.
Ja taas fyysisestä ympäristöstä
No, nyt puhutaan siitä, kuinka uusi fyysinen ympäristö muodostuu. Käytettäessä CSMA/CA:ta ja OFDM:ää aktiivisten STA:iden lukumäärän kasvu johti vakavaan laskuun 20 MHz:n kanavan suorituskyvyssä. Tämä johtui jo mainitusta: ei uusimmista teknologioista STC (Space-Time Coding) ja MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA voi resurssiyksiköiden avulla olla tehokkaasti vuorovaikutuksessa pitkän matkan ja pienitehoisten asemien kanssa. Saamme mahdollisuuden työskennellä samalla operaattorialueella käyttäjien kanssa, jotka kuluttavat erilaisia resursseja. Yksi käyttäjä voi käyttää yhtä yksikköä ja toinen - kaikkia muita.
Miksi OFDMA:ta ei ollut aiemmin?
Ja lopuksi pääkysymys: miksi OFDMA:ta ei ollut aiemmin? Kummallista kyllä, kaikki johtui rahasta.
Pitkään uskottiin, että Wi-Fi-moduulin hinnan tulisi olla minimaalinen. Kun protokolla otettiin kaupalliseen käyttöön vuonna 1997, päätettiin, että tällaisen moduulin tuotantokustannukset eivät saa ylittää 1 dollaria. Tämän seurauksena teknologian kehitys eteni optimaalista tietä. Tässä ei oteta huomioon operaattoria LTE:tä, jossa OFDMA:ta on käytetty melko pitkään.
Lopulta Wi-Fi-työryhmä päätti ottaa nämä kehitystyöt teleoperaattoreiden maailmasta ja viedä ne yritysverkkojen maailmaan. Päätehtävänä oli siirtyminen korkealaatuisten elementtien, kuten suodattimien ja oskillaattorien, käyttöön.
Miksi meidän oli niin vaikeaa työskennellä vanhoilla MRC-koodauksilla häiriöillä tai ilman? Koska MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) -keilanmuodostusmekanismi lisäsi dramaattisesti virheiden määrää heti, kun yritimme yhdistää suuren määrän lähetyspisteitä. OFDMA on osoittanut, että ongelma voidaan ratkaista.
Taistelu häiriöitä vastaan perustuu nyt matematiikkaan. Jos lähetysikkuna on tarpeeksi pitkä, tuloksena oleva dynaaminen häiriö aiheuttaa ongelmia. Uudet toiminta-algoritmit mahdollistavat niiden välttämisen eliminoiden Wi-Fi-lähetykseen liittyvien häiriöiden lisäksi myös muiden tällä alueella esiintyvien häiriöiden vaikutuksen.
Mukautuvan häiriöneston ansiosta voimme saavuttaa jopa 11 dB:n vahvistukset jopa monimutkaisissa heterogeenisissä ympäristöissä. Huawein omien algoritmisten ratkaisujen käyttö mahdollisti vakavan optimoinnin juuri siellä missä sitä tarvittiin – sisäratkaisuissa. Se, mikä on hyvää 5G:ssä, ei välttämättä ole hyvää Wi-Fi 6 -ympäristössä. Massiiviset MIMO- ja MU-MIMO-lähestymistavat eroavat toisistaan sisä- ja ulkoratkaisuissa. Tarvittaessa on tarkoituksenmukaista käyttää kalliita ratkaisuja, kuten 5G:ssä. Mutta tarvitaan muita vaihtoehtoja, kuten Wi-Fi 6, joka voi toimittaa viiveen ja muut mittarit, joita olemme tottuneet odottamaan operaattorilta.
Lainaamme heiltä työkaluja, jotka ovat hyödyllisiä meille yrityskuluttajille, ja pyrimme tarjoamaan fyysisen ympäristön, johon voimme luottaa.
***
Älä muuten unohda lukuisia vuoden 2020 Huawei-tuotteita käsitteleviä lukuisia webinaarejamme, jotka pidetään paitsi venäjänkielisessä segmentissä myös maailmanlaajuisesti. Luettelo tulevien viikkojen webinaareista on saatavilla osoitteessa .
Lähde: will.com