Une plongée approfondie dans le Wi-Fi 6 : OFDMA et MU-MIMO

Dans ses développements, Huawei s'appuie sur le Wi-Fi 6. Et les questions de collègues et de clients sur la nouvelle génération de la norme nous ont incités à rédiger un article sur les fondements théoriques et les principes physiques qui y sont intégrés. Passons de l’histoire à la physique et examinons en détail pourquoi les technologies OFDMA et MU-MIMO sont nécessaires. Parlons également de la façon dont un support physique de transmission de données fondamentalement repensé a permis d'obtenir une capacité de canal garantie et une telle réduction du niveau global des délais qu'ils sont devenus comparables à ceux d'un opérateur. Et ce malgré le fait que les réseaux modernes basés sur la 5G sont plus chers (en moyenne 20 à 30 fois) que les réseaux Wi-Fi 6 intérieurs dotés de capacités similaires.

Pour Huawei, le sujet n’est en aucun cas vain : les solutions prenant en charge le Wi-Fi 6 comptent parmi nos produits les plus révolutionnaires en 2020, dans lesquels d’énormes ressources ont été investies. Voici juste un exemple : des recherches dans le domaine de la science des matériaux ont permis de sélectionner un alliage dont l'utilisation dans les éléments radio d'un point d'accès a augmenté le rapport signal sur bruit de 2 à 3 dB : chapeau bas à Doron Ezri pour cette réalisation.

Un peu d'histoire

Il est logique de remonter à 1971, lorsque le professeur Norman Abramson et un groupe de collègues de l'Université d'Hawaï ont développé, construit et lancé le réseau de données par paquets sans fil ALOHAnet.

En 1980, un groupe de normes et de protocoles IEEE 802 a été approuvé, décrivant l'organisation des deux couches inférieures du modèle de réseau OSI à sept couches. Il a fallu attendre 802.11 longues années avant la sortie de la première version du 17.

Avec l'adoption de la norme 1997 en 802.11, deux ans avant la naissance de la Wi-Fi Alliance, la première génération de la technologie de données sans fil la plus populaire aujourd'hui est entrée dans le monde entier.

Norme IEEE 802. Générations Wi-Fi

La première norme véritablement largement soutenue par les fabricants d’équipements a été la 802.11b. Comme vous pouvez le constater, la fréquence des innovations est assez stable depuis la fin du XXe siècle : les changements qualitatifs prennent du temps. Ces dernières années, de nombreux travaux ont été réalisés pour améliorer le support physique de transmission des signaux. Afin de mieux comprendre les problèmes modernes du Wi-Fi, tournons-nous vers ses fondements physiques.

Rappelons les bases !

Les ondes radio sont un cas particulier d'ondes électromagnétiques : elles se propagent à partir d'une source de perturbations des champs électriques et magnétiques. Ils sont caractérisés par trois paramètres principaux : le vecteur d'onde, ainsi que les vecteurs d'intensité des champs électriques et magnétiques. Tous les trois sont perpendiculaires les uns aux autres. Dans ce cas, la fréquence d'une onde est généralement appelée le nombre d'oscillations répétitives qui s'inscrivent dans une unité de temps.

Ce sont tous des faits bien connus. Cependant, pour arriver au bout, nous sommes obligés de recommencer depuis le début.

Sur l'échelle conventionnelle des gammes de fréquences du rayonnement électromagnétique, la gamme radio occupe la partie la plus basse (basse fréquence). Il comprend des ondes électromagnétiques avec une fréquence d'oscillation de 3 Hz à 3000 GHz. Toutes les autres bandes, y compris la lumière visible, ont une fréquence beaucoup plus élevée.

Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie peut être transmise à l'onde radio, mais en même temps, elle contourne moins bien les obstacles et s'atténue plus rapidement. L'inverse est également vrai. Compte tenu de ces caractéristiques, deux gammes de fréquences principales ont été sélectionnées pour le fonctionnement du Wi-Fi : 2,4 GHz (bande de fréquences de 2,4000 à 2,4835 GHz) et 5 GHz (bandes de fréquences 5,170-5,330, 5,490-5,730 et 5,735-5,835 GHz).

Les ondes radio se propagent dans toutes les directions et afin d'éviter que les messages ne s'influencent mutuellement en raison de l'effet d'interférence, la bande de fréquences est généralement divisée en sections étroites distinctes - des canaux avec l'un ou l'autre bande passante. Le diagramme ci-dessus montre que les canaux adjacents 1 et 2 avec une bande passante de 20 MHz interféreront les uns avec les autres, mais pas les canaux 1 et 6.

Le signal à l'intérieur du canal est transmis à l'aide d'une onde radio à une certaine fréquence porteuse. Pour transmettre des informations, les paramètres d'onde peuvent être moduler par fréquence, amplitude ou phase.

Séparation des canaux dans les plages de fréquences Wi-Fi

La gamme de fréquences de 2,4 GHz est divisée en 14 canaux partiellement superposés avec une largeur optimale de 20 MHz. On pensait autrefois que cela suffisait amplement pour organiser un réseau sans fil complexe. Il est vite devenu évident que la capacité de la gamme s'épuisait rapidement, c'est pourquoi on y a ajouté la gamme 5 GHz, dont la capacité spectrale est beaucoup plus élevée. Dans celui-ci, en plus des canaux de 20 MHz, il est possible d'attribuer des canaux d'une largeur de 40 et 80 MHz.

Pour améliorer encore l'efficacité de l'utilisation du spectre des radiofréquences, la technologie de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence est désormais largement utilisée (OFDM).

Il s'agit d'utiliser, outre la fréquence porteuse, plusieurs fréquences sous-porteuses dans un même canal, ce qui permet d'effectuer une transmission de données en parallèle. L'OFDM permet de répartir le trafic de manière « granulaire » assez pratique, mais en raison de son âge vénérable, il présente un certain nombre d'inconvénients importants. Parmi eux figurent les principes de travail utilisant le protocole réseau CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Evidence), selon lequel un seul utilisateur peut travailler sur un transporteur et un sous-porteur à certains moments.

Flux spatiaux

L’utilisation de flux spatiaux constitue un moyen important d’augmenter le débit du réseau sans fil.

Le point d'accès embarque plusieurs modules radio (un, deux ou plusieurs), qui sont connectés à un certain nombre d'antennes. Ces antennes rayonnent selon un certain modèle et une certaine modulation, et vous et moi recevons des informations transmises sur un support sans fil. Le flux spatial peut être formé entre une antenne physique spécifique (module radio) du point d'accès et le dispositif utilisateur. Grâce à cela, le volume total d'informations transmises depuis le point d'accès augmente d'un multiple du nombre de flux (antennes).

Selon les normes actuelles, jusqu'à quatre flux spatiaux peuvent être mis en œuvre dans la bande 2,4 GHz et jusqu'à huit dans la bande 5 GHz.

Auparavant, lorsque nous travaillions dans les bandes 2,4 et 5 GHz, nous nous concentrions uniquement sur le nombre de modules radio. La présence d'un deuxième module radio offrait une flexibilité supplémentaire, car elle permettait aux anciens appareils d'abonné de fonctionner à une fréquence de 2,4 GHz et aux nouveaux de fonctionner à une fréquence de 5 GHz. Avec l'avènement du troisième module radio et des suivants, certains problèmes sont survenus. Les éléments rayonnants ont tendance à interférer les uns avec les autres, ce qui augmente le coût de l'appareil en raison de la nécessité d'une meilleure conception et de l'équipement du point d'accès avec des filtres de compensation. Ce n'est donc que récemment qu'il est devenu possible de prendre en charge simultanément 16 flux spatiaux par point d'accès.

Rapidité pratique et théorique

En raison des mécanismes de fonctionnement OFDM, nous n'avons pas pu obtenir un débit réseau maximal. Les calculs théoriques pour la mise en œuvre pratique de l'OFDM ont été effectués il y a longtemps et uniquement par rapport à des environnements idéaux, où un rapport signal/bruit (SNR) et un taux d'erreur binaire (BER) assez élevés étaient attendus. Dans les conditions modernes de fort bruit dans tous les spectres de fréquences radio qui nous intéressent, le débit des réseaux basés sur l'OFDM est désespérément faible. Et le protocole a continué à présenter ces lacunes jusqu'à récemment, jusqu'à ce que la technologie OFDMA (accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence) vienne à la rescousse. À propos d'elle - un peu plus loin.

Parlons des antennes

Comme vous le savez, chaque antenne a un gain, en fonction de la valeur duquel un modèle spatial de propagation du signal (formation de faisceau) est formé avec une certaine zone de couverture (nous ne prenons pas en compte la re-réflexion du signal, etc.). C’est précisément sur cette base que les concepteurs ont toujours basé leur raisonnement sur l’emplacement exact des points d’accès. Pendant longtemps, la forme du motif est restée inchangée et n'a augmenté ou diminué qu'en proportion des caractéristiques de l'antenne.

Les éléments d'antenne modernes deviennent de plus en plus contrôlables et permettent des changements dynamiques dans la configuration spatiale de la propagation du signal en temps réel.

La figure de gauche ci-dessus montre le principe de propagation des ondes radio à l'aide d'une antenne omnidirectionnelle standard. En augmentant la puissance du signal, nous ne pouvions que modifier le rayon de couverture sans pouvoir influencer de manière significative la qualité de l'utilisation des canaux - KQI (Key Quality Indicators). Et cet indicateur est extrêmement important lors de l'organisation des communications dans des conditions de mouvements fréquents de l'appareil de l'abonné dans un environnement sans fil.

La solution au problème a été l'utilisation d'un grand nombre de petites antennes, dont la charge peut être ajustée en temps réel, formant des diagrammes de propagation en fonction de la position spatiale de l'utilisateur.

Ainsi, il a été possible de se rapprocher de l'utilisation de la technologie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Avec son aide, le point d'accès génère à tout moment des flux de rayonnement dirigés spécifiquement vers les appareils des abonnés.

De la physique aux normes 802.11

À mesure que les normes Wi-Fi évoluaient, les principes de travail avec la couche physique du réseau ont changé. L'utilisation d'autres mécanismes de modulation a permis - à commencer par les versions 802.11g/n - d'insérer une quantité d'informations beaucoup plus importante dans une tranche horaire et, par conséquent, de travailler avec un plus grand nombre d'utilisateurs. Ceci a notamment été réalisé grâce à l’utilisation de flux spatiaux. Et la nouvelle flexibilité en matière de largeur de canal a permis de générer davantage de ressources pour MIMO.

L’approbation de la norme Wi-Fi 7 est prévue pour l’année prochaine, qu’est-ce qui va changer avec son arrivée ? En plus de l'augmentation habituelle du débit et de l'ajout de la bande 6 GHz, il sera possible de travailler avec de larges canaux agrégés, comme le 320 MHz. Ceci est particulièrement intéressant dans le cadre d’applications industrielles.

Débit théorique du Wi-Fi 6

La formule théorique pour calculer la vitesse nominale du Wi-Fi 6 est assez complexe et dépend de nombreux paramètres, en commençant par le nombre de flux spatiaux et en terminant par les informations que l'on peut mettre dans une sous-porteuse (ou des sous-porteuses, s'il y en a plusieurs). eux) par unité de temps.

Comme vous pouvez le constater, cela dépend beaucoup des flux spatiaux. Mais avant, une augmentation de leur nombre en combinaison avec l'utilisation du STC (Space-Time Coding) et du MRC (Maximum Ratio Combining) détériorait les performances de la solution sans fil dans son ensemble.

Nouvelles technologies clés de la couche physique

Passons aux technologies clés de la couche physique - et commençons par la première couche du modèle de réseau OSI.

Rappelons que l'OFDM utilise un certain nombre de sous-porteuses qui, sans s'influencer les unes les autres, sont capables de transmettre une certaine quantité d'informations.

Dans l'exemple, nous utilisons la bande 5,220 GHz, qui contient 48 sous-canaux. En agrégeant ce canal, nous obtenons un plus grand nombre de sous-porteuses, chacune utilisant son propre schéma de modulation.

Le Wi-Fi 5 utilise la modulation d'amplitude en quadrature 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), qui vous permet de former un champ de 16 x 16 points dans la fréquence porteuse dans un intervalle de temps, différant en amplitude et en phase. L'inconvénient est qu'à un instant donné, une seule station peut émettre sur la fréquence porteuse.

Le multiplexage orthogonal de fréquence (OFDMA) est issu du monde des opérateurs mobiles, s'est répandu simultanément avec le LTE et est utilisé pour organiser une liaison descendante (canal de communication vers l'abonné). Il vous permet de travailler avec le canal au niveau de ce qu'on appelle les unités de ressources. Ces unités aident à décomposer un bloc en un nombre spécifique de composants. Au sein d'un bloc, à chaque instant on ne peut pas travailler strictement avec un seul élément émetteur (utilisateur ou point d'accès), mais combiner des dizaines d'éléments. Cela vous permet d’obtenir des résultats remarquables.

Connexion facile des chaînes en Wi-Fi 6

Le Channel Bonding en Wi-Fi 6 permet d'obtenir des canaux combinés d'une largeur de 20 à 160 MHz. De plus, la connexion ne doit pas nécessairement être effectuée à proximité. Par exemple, un bloc peut être extrait de la bande 5,17 GHz et le second de la bande 5,135 GHz. Cela vous permet de créer de manière flexible un environnement radio, même en présence de forts facteurs d'interférence ou à proximité d'autres stations émettant en permanence.

Du SIMO au MIMO

La méthode MIMO n’a pas toujours été avec nous. Autrefois, les communications mobiles devaient se limiter au mode SIMO, ce qui impliquait la présence de plusieurs antennes au poste d'abonné, travaillant simultanément pour recevoir des informations.

MU-MIMO est conçu pour transmettre des informations aux utilisateurs en utilisant l'ensemble du stock d'antennes actuel. Cela supprime les restrictions précédemment imposées par le protocole CSMA/CA associé à l'envoi de jetons aux appareils des abonnés pour la transmission. Désormais, les utilisateurs sont réunis au sein d’un groupe et chaque membre du groupe reçoit sa part de la ressource d’antenne du point d’accès, plutôt que d’attendre son tour.

Formation de faisceaux radio

Une règle importante pour le fonctionnement de MU-MIMO est de maintenir un mode de fonctionnement du réseau d'antennes qui n'entraînerait pas de chevauchement mutuel des ondes radio ni de perte d'informations dues à l'addition de phase.

Cela nécessite des calculs mathématiques complexes du côté du point d’accès. Si le terminal prend en charge cette fonctionnalité, MU-MIMO lui permet d'indiquer au point d'accès combien de temps il faut pour recevoir un signal sur chaque antenne spécifique. Et le point d'accès, à son tour, ajuste ses antennes pour former un faisceau dirigé de manière optimale.

Qu’est-ce que cela nous donne en général ?

Les cercles blancs avec des chiffres dans le tableau indiquent les scénarios actuels d'utilisation du Wi-Fi des générations précédentes. Les cercles bleus (voir illustration ci-dessus) décrivent les capacités du Wi-Fi 6, et les gris concernent le futur proche.

Les principaux avantages apportés par les nouvelles solutions compatibles OFDMA sont liés aux unités de ressources mises en œuvre à un niveau similaire au TDM (Time Division Multiplexing). Cela n’avait jamais été le cas avec le Wi-Fi auparavant. Cela vous permet de contrôler clairement la bande passante allouée, garantissant un temps de transit minimal du signal à travers le support et le niveau de fiabilité requis. Heureusement, personne ne doute que les indicateurs de fiabilité du Wi-Fi doivent être améliorés.

L’histoire évolue dans une spirale et la situation actuelle est similaire à celle qui s’est développée autour d’Ethernet. Même alors, l'opinion s'est établie selon laquelle le support de transmission CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) n'offre aucun débit garanti. Et cela a continué jusqu'à la transition vers IEEE 802.3z.

Quant aux modèles d'application généraux, comme vous pouvez le constater, à chaque génération de Wi-Fi, ses scénarios d'utilisation se multiplient, de plus en plus sensibles aux délais, généraux gigue et la fiabilité.

Et encore une fois sur l'environnement physique

Eh bien, parlons maintenant de la façon dont se forme le nouvel environnement physique. Lors de l'utilisation de CSMA/CA et OFDM, une augmentation du nombre de STA actives a entraîné une baisse importante du débit du canal 20 MHz. Cela était dû à ce qui a déjà été mentionné : pas aux technologies les plus récentes STC (Space-Time Coding) et MRC (Maximum Ratio Combining).

L'OFDMA, grâce à l'utilisation d'unités de ressources, peut interagir efficacement avec les centrales longue distance et de faible puissance. Nous avons la possibilité de travailler dans la même gamme d'opérateurs avec des utilisateurs consommant différentes quantités de ressources. Un utilisateur peut occuper une unité et un autre toutes les autres.

Pourquoi n’y avait-il pas d’OFDMA avant ?

Et enfin, la question principale : pourquoi n’y avait-il pas d’OFDMA auparavant ? Curieusement, tout se résumait à l’argent.

Pendant longtemps, on a cru que le prix d'un module Wi-Fi devait être minime. Lorsque le protocole a été lancé en exploitation commerciale en 1997, il a été décidé que le coût de production d'un tel module ne pourrait pas dépasser 1 dollar. En conséquence, le développement de la technologie a pris une voie sous-optimale. Ici, nous ne prenons pas en compte l'opérateur LTE, où l'OFDMA est utilisé depuis assez longtemps.

Finalement, le groupe de travail Wi-Fi a décidé de prendre ces développements du monde des opérateurs de télécommunications et de les introduire dans le monde des réseaux d'entreprise. La tâche principale était la transition vers l'utilisation d'éléments de meilleure qualité, tels que des filtres et des oscillateurs.

Pourquoi était-il si difficile pour nous de travailler avec les anciens encodages MRC avec ou sans interférence ? Parce que le mécanisme de formation de faisceau MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) augmentait considérablement le nombre d'erreurs dès que nous essayions de combiner un grand nombre de points de transmission. L'OFDMA a prouvé que le problème peut être résolu.

La lutte contre les interférences repose désormais sur les mathématiques. Si la fenêtre de transmission est suffisamment longue, les interférences dynamiques qui en résultent posent problème. De nouveaux algorithmes de fonctionnement permettent de les éviter, en éliminant l'influence non seulement des interférences associées à la transmission Wi-Fi, mais également de toute autre interférence se produisant dans cette plage.

Grâce à l'anti-interférence adaptative, nous pouvons atteindre des gains allant jusqu'à 11 dB même dans des environnements hétérogènes complexes. L'utilisation des propres solutions algorithmiques de Huawei a permis d'obtenir une optimisation sérieuse exactement là où cela était nécessaire : dans les solutions intérieures. Ce qui est bon dans la 5G ne l'est pas nécessairement dans un environnement Wi-Fi 6. Les approches Massive MIMO et MU-MIMO diffèrent dans le cas des solutions intérieures et extérieures. Lorsque cela est nécessaire, il convient de recourir à des solutions coûteuses, comme dans la 5G. Mais d'autres options sont nécessaires, comme le Wi-Fi 6, qui peut fournir la latence et d'autres mesures que nous attendons des opérateurs.

Nous leur empruntons les outils qui nous seront utiles en tant qu’entreprises consommatrices, le tout dans le but de fournir un environnement physique sur lequel nous pouvons compter.

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Source: habr.com