Récemment, des appareils prenant en charge la technologie Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) ont fait leur apparition sur le marché, suscitant beaucoup de discussions. Mais peu de gens savent qu'un nouveau standard de technologie Wi-Fi est déjà en développement : le Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Cet article présente ce que sera le Wi-Fi 7.
Contexte
En septembre 2020, nous célébrerons le 30ème anniversaire du projet IEEE 802.11, qui a eu un impact significatif sur notre vie. Actuellement, la technologie Wi-Fi, définie par la famille de normes IEEE 802.11, est la technologie sans fil la plus populaire pour se connecter à Internet : le Wi-Fi transporte plus de la moitié du trafic utilisateur. Alors que les technologies mobiles rebrandissent leur nom tous les dix ans, par exemple en remplaçant 4G par 5G, pour les utilisateurs de Wi-Fi, l'augmentation des vitesses de transmission ainsi que l'introduction de nouveaux services et fonctions se produisent presque imperceptiblement. Peu de clients se soucient des lettres « n », « ac » ou « ax » qui suivent « 802.11 » sur les boîtes d'équipement. Mais cela ne signifie pas que le Wi-Fi ne progresse pas.
L'une des preuves de l'évolution du Wi-Fi est l'augmentation spectaculaire des débits nominaux : de 2 Mbit/s en 1997 à presque 10 Gbit/s dans la dernière norme 802.11ax, également connue sous le nom de Wi-Fi 6. Le Wi-Fi moderne réalise ce bond de performance grâce à des constructions de code de signal plus rapides, à des canaux plus larges et à l'utilisation de technologies. .
En plus de son orientation principale vers des réseaux locaux sans fil à haute vitesse, l'évolution du Wi-Fi comprend plusieurs projets de niche. Par exemple, le Wi-Fi HaLow (802.11ah) a été une tentative de rendre le Wi-Fi accessible sur le marché de l'Internet des objets sans fil. Le Wi-Fi à ondes millimétriques (802.11ad/ay) prend en charge des débits nominaux allant jusqu'à 275 Gbit/s, mais sur de très courtes distances.
De nouvelles applications et services liés aux flux vidéo haute résolution, à la réalité virtuelle et augmentée, aux jeux, au télétravail et au cloud computing, ainsi que la nécessité de prendre en charge un grand nombre d'utilisateurs avec un trafic intense dans les réseaux sans fil, exigent des performances élevées.
Objectifs du Wi-Fi 7
En mai 2019, un sous-groupe BE (TGbe) du groupe de travail 802.11 du comité de normalisation des réseaux locaux et métropolitains a commencé à travailler sur un nouvel additif à la norme Wi-Fi, qui augmentera la capacité nominale à plus de 40 Gbit/s dans une bande de fréquence « typique » pour le Wi-Fi inférieure ou égale à 7 GHz. Bien que de nombreux documents évoquent « une capacité maximale d'au moins 30 Gbit/s », le nouveau protocole de niveau physique garantira une vitesse nominale supérieure à 40 Gbit/s.
Un autre axe important du développement de Wi-Fi 7 est le support des applications en temps réel (jeux, réalité virtuelle et augmentée, contrôle des robots). Notamment, bien que le Wi-Fi traite de manière particulière le trafic audio et vidéo, il a longtemps été considéré que la fourniture au niveau standard de latences garanties très faibles (de l'ordre de quelques millisecondes), également connue sous le nom de Time-Sensitive Networking, dans les réseaux Wi-Fi était fondamentalement impossible. En novembre 2017, notre équipe de l'IPPI RAN et de la HSE a présenté une proposition correspondante au groupe IEEE 802.11 (ne le considérez pas comme de la publicité). La proposition a suscité un grand intérêt, et en juillet 2018, un sous-groupe spécial a été lancé pour explorer davantage cette question. Étant donné que le support des applications en temps réel nécessite à la fois des vitesses de transmission de données nominatives élevées et un élargissement des fonctionnalités de la couche liaison, le groupe de travail 802.11 a décidé de développer des méthodes pour soutenir les applications en temps réel dans le cadre de Wi-Fi 7.
Une question importante liée à Wi-Fi 7 est sa coexistence avec les technologies de réseaux cellulaires (4G/5G) développées par le 3GPP et opérant dans les mêmes bandes de fréquences non licenciées. Il s'agit de LTE-LAA/NR-U. Pour étudier les questions de coexistence entre Wi-Fi et réseaux cellulaires, l'IEEE 802.11 a lancé le Coexisting Standing Committee (Coex SC). Malgré de nombreuses réunions et même un séminaire conjoint des participants 3GPP et IEEE 802.11 en juillet 2019 à Vienne, aucune solution technique n'a encore été approuvée. Une possible explication de cette inactivité pourrait être que ni IEEE 802 ni 3GPP ne souhaitent modifier leurs propres technologies pour les aligner sur l'autre. Ainsi, à ce jour, il n'est pas clair si les discussions au sein du Coex SC influenceront la norme Wi-Fi 7.
Le processus de développement
Bien que le processus de développement du Wi-Fi 7 en soit à ses débuts, environ 500 propositions de nouvelles fonctionnalités pour le futur Wi-Fi 7, également connu sous le nom d'IEEE 802.11be, ont déjà été formulées. La plupart des idées en sont encore au stade de la discussion dans le sous-groupe be, et aucune décision n'a encore été prise à leur sujet. D'autres idées ont été récemment approuvées. Il sera clairement indiqué ci-dessous quelles propositions sont validées et lesquelles sont seulement en discussion.
Au départ, il était prévu que le développement des nouveaux mécanismes principaux soit achevé d'ici mars 2021. La version finale de la norme est attendue pour début 2024. En janvier 2020, des préoccupations ont été exprimées dans le sous-groupe 11be concernant le respect du calendrier de développement compte tenu du rythme actuel. Pour accélérer le processus de développement de la norme, le sous-groupe a convenu de sélectionner un petit ensemble de fonctionnalités prioritaires qui pourraient être publiées d'ici 2021 (Release 1), les autres étant laissées pour Release 2. Les fonctionnalités prioritaires doivent offrir un gain de performance significatif et incluent le support de 320 MHz, le 4K-QAM, des améliorations évidentes de l'OFDMA par rapport au Wi-Fi 6, et le MU-MIMO avec 16 flux.
En raison du coronavirus, le groupe ne se réunit pas en personne pour le moment, mais organise régulièrement des téléconférences. Par conséquent, le développement a quelque peu ralentit, mais n'a pas été arrêté.
Détails de la technologie
Examinons les principales nouveautés du Wi-Fi 7.
- Le nouveau protocole de couche physique est une amélioration du protocole Wi-Fi 6, doublant la largeur de bande à 320 MHz, doublant le nombre de flux spatiaux du MU-MIMO, ce qui augmente la capacité nominale de 2×2 = 4 fois. Le Wi-Fi 7 commence également à utiliser la modulation 4K-QAM, ce qui ajoute encore 20 % à la capacité nominale. Ainsi, le Wi-Fi 7 offrira un débit nominal de 2x2x1,2 = 4,8 fois supérieur par rapport au Wi-Fi 6 : la capacité nominale maximale du Wi-Fi 7 est de 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. De plus, un changement révolutionnaire sera apporté au protocole de couche physique pour assurer la compatibilité avec les futures versions du Wi-Fi, mais cela restera invisible pour les utilisateurs.
- Changement de méthode d'accès au canal pour le support des applications en temps réel sera réalisée en tenant compte de l'expérience IEEE 802 TSN pour les réseaux câblés. Des discussions continues au sein du comité de normalisation sont liées à la procédure de retard aléatoire lors de l'accès au canal, aux catégories de services de trafic et, en conséquence, aux files d'attente distinctes pour le trafic en temps réel, ainsi qu'aux politiques de gestion des paquets.
- Introduit dans Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – méthode d'accès au canal par division temporelle et fréquentielle (similaire à celle utilisée dans les réseaux 4G et 5G) – offre de nouvelles possibilités pour une répartition optimale des ressources. Cependant, dans 11ax, l'OFDMA manque de flexibilité. Tout d'abord, il permet à l'accès point d'attribuer à l'appareil client uniquement un bloc de ressources de taille prédéfinie. Deuxièmement, il ne supporte pas la transmission directe entre les stations clientes. Ces deux inconvénients réduisent l'efficacité spectrale. De plus, le manque de flexibilité hérité de l'OFDMA de Wi-Fi 6 nuit aux performances dans les réseaux denses et augmente la latence, ce qui est critique pour les applications en temps réel. 11be résoudra ces problèmes d'OFDMA.
- L'un des changements révolutionnaires approuvés de Wi-Fi 7 est le support intégré de l'utilisation simultanée de plusieurs connexions parallèles sur différentes fréquences, ce qui est très utile tant pour les vitesses de transmission extrêmement élevées que pour la latence extrêmement faible. Bien que les chipsets modernes puissent déjà utiliser plusieurs connexions simultanément, par exemple dans les bandes de 2,4 et 5 GHz, ces connexions sont indépendantes, ce qui limite l'efficacité de cette opération. Dans 11be, un tel niveau de synchronisation entre les canaux sera trouvé, permettant un usage efficace des ressources du canal et entraînant des changements significatifs dans les règles du protocole d'accès au canal.
- L'utilisation de canaux très larges et d'un grand nombre de flux spatiaux pose le problème de la surcharge élevée liée à la procédure d'évaluation de l'état du canal, nécessaire pour MIMO et OFDMA. Ces surcharges annulent tous les gains d'augmentation des vitesses de transmission nominales. Il est prévu que la procédure d'évaluation de l'état du canal sera revue.
- Dans le contexte de Wi-Fi 7, le comité de normalisation discute de l'utilisation de certaines méthodes de transmission des données "avancées". En théorie, ces méthodes augmentent l'efficacité spectrale en cas de retransmissions et lors de transmissions simultanées dans la même direction ou dans des directions opposées. Il s'agit de la demande automatique de répétition hybride (HARQ), actuellement utilisée dans les réseaux cellulaires, du mode full-duplex et de l'accès multiple non orthogonal (NOMA). Ces méthodes ont été bien étudiées dans la littérature en théorie, mais il n'est pas encore clair si le gain de performance qu'elles offrent justifie les efforts nécessaires à leur mise en œuvre.
- Utilisation HARQ est compliqué par le problème suivant. Dans Wi-Fi, pour réduire les frais généraux, les paquets sont fusionnés. Dans les versions actuelles de Wi-Fi, la livraison de chaque paquet dans la fusion est confirmée et, si la confirmation ne parvient pas, la transmission du paquet est répétée selon les méthodes du protocole d'accès au canal. HARQ déplace les tentatives de retransmission du niveau de liaison au niveau physique, où il n'y a plus de paquets, mais des mots de code, et les limites des mots de code ne coïncident pas avec celles des paquets. Cette désynchronisation complique la mise en œuvre de HARQ dans Wi-Fi.
- Concernant Full-Duplex, actuellement, dans aucun des réseaux cellulaires ni dans les réseaux Wi-Fi, il n'est possible de transmettre simultanément des données dans le même canal de fréquence à la fois vers le point d'accès (station de base) et depuis celui-ci. D'un point de vue technique, cela est dû à la grande différence de puissance entre le signal transmis et le signal reçu. Bien qu'il existe des prototypes combinant la soustraction numérique et analogique du signal transmis au signal reçu, capables de recevoir un signal Wi-Fi pendant sa transmission, le gain qu'ils peuvent offrir dans la pratique peut être minime en raison du fait qu'à tout moment, le débit descendant n'est pas égal au débit montant (en moyenne, le débit descendant est sensiblement plus élevé). Cependant, une telle transmission bidirectionnelle compliquerait considérablement le protocole.
- Si plusieurs flux doivent être transmis à l'aide de MIMO, il est nécessaire d'avoir plusieurs antennes pour l'émetteur et le récepteur. En revanche, dans le cas d'un accès non orthogonal, le point d'accès peut transmettre simultanément des données à deux récepteurs avec une seule antenne. Différentes variantes de l'accès non orthogonal sont incluses dans les dernières spécifications 5G. Prototypes. NOMA Le Wi-Fi a été créé pour la première fois en 2018 à l'IPP RAN (ne le prenez pas comme de la publicité). Il a montré un gain de performance de 30 à 40 %. Les avantages de la technologie développée résident dans sa rétrocompatibilité : l'un des deux récepteurs peut être un ancien appareil ne prenant pas en charge le Wi-Fi 7. En général, le problème de la rétrocompatibilité est très important, car plusieurs générations d'appareils peuvent fonctionner simultanément sur le réseau Wi-Fi. Actuellement, plusieurs équipes dans le monde analysent l'efficacité de l'utilisation conjointe de NOMA et MU-MIMO, dont les résultats détermineront l'avenir de cette approche. Nous continuons également à travailler sur le prototype : sa prochaine version sera présentée lors de la conférence IEEE INFOCOM en juillet 2020.
- Enfin, une autre innovation importante, mais dont l'avenir est incertain, est le fonctionnement coordonné des points d'accès. Bien que de nombreux fournisseurs aient leurs propres contrôleurs centralisés pour les réseaux Wi-Fi d'entreprise, les capacités de ces contrôleurs étaient généralement limitées à la configuration des paramètres à long terme et au choix des canaux. Le comité de normalisation discute d'une coopération plus étroite entre les points d'accès voisins, ce qui inclut la planification coordonnée des transmissions, le beamforming et même des systèmes MIMO distribués. Certains des approches envisagées utilisent un suppression séquentielle des interférences (similaire à NOMA). Bien que les approches de coordination 11be ne soient pas encore développées, il ne fait aucun doute que la norme permettra aux points d'accès de différents fabricants de coordonner le calendrier des transmissions pour réduire l'interférence mutuelle. Quant aux autres approches plus complexes (comme le MU-MIMO distribué), leur intégration dans la norme sera plus difficile, bien que des membres du groupe soient déterminés à le faire dans le cadre de la Release 2. Quelle que soit l'issue, le destin des méthodes de coordination des points d'accès reste incertain. Même si elles sont incluses dans la norme, elles pourraient ne pas atteindre le marché. Cela s'est déjà produit par le passé lorsque l'on a tenté de mieux réguler les transmissions Wi-Fi avec des solutions telles que HCCA (11e) et HCCA TXOP Negotiation (11be).
En résumé, il semble que la plupart des propositions liées aux cinq premiers groupes feront partie du Wi-Fi 7, tandis que celles liées aux deux derniers groupes nécessitent des recherches supplémentaires significatives pour prouver leur efficacité.
Plus de détails techniques
Des détails techniques sur le Wi-Fi 7 peuvent être consultés (en anglais)
Source : habr.com
