Dans ses développements, Huawei mise sur le Wi-Fi 6. Les questions de collègues et de clients sur la nouvelle génération de standards nous ont poussés à écrire un article sur les bases théoriques et les principes physiques qui le sous-tendent. Nous passerons de l'histoire à la physique, en détaillant pourquoi les technologies OFDMA et MU-MIMO sont nécessaires. Nous discuterons également de la manière dont un environnement physique de transmission de données fondamentalement repensé a permis d'obtenir une capacité garantie des canaux et une réduction générale des latences, les rendant comparables à celles des opérateurs. Et cela, alors que les réseaux modernes basés sur la 5G sont plus coûteux (en moyenne 20 à 30 fois) que les réseaux intérieurs similaires en capacités sur Wi-Fi 6.
Pour Huawei, ce sujet n'est pas banal : les solutions prenant en charge le Wi-Fi 6 figurent parmi nos produits les plus révolutionnaires de 2020, dans lesquels d'énormes ressources ont été investies. Voici juste un exemple : nos recherches en science des matériaux nous ont permis de sélectionner un alliage dont l'utilisation dans les éléments radio des points d'accès a augmenté le rapport « signal - bruit » de 2 à 3 dB : nous saluons l'accomplissement de Doron Ezri pour cette réalisation.
Un peu d'histoire
Il est pertinent de commencer l'histoire du Wi-Fi en 1971, lorsque le professeur Norman Abramson de l'Université d'Hawaï, avec un groupe de collègues, a développé, construit et lancé un réseau sans fil de transmission de données par paquets, ALOHAnet.
En 1980, un groupe de standards et de protocoles IEEE 802 a été approuvé, décrivant l'organisation des deux couches inférieures du modèle réseau OSI à sept niveaux. Il a fallu attendre 17 longues années pour le lancement de la première version 802.11.
Avec l'adoption en 1997 du standard 802.11, deux ans avant la création de l'organisation Wi-Fi Alliance, la première génération de la technologie de transmission de données sans fil la plus populaire aujourd'hui a fait son entrée dans le grand monde.
Norme IEEE 802. Générations de Wi-Fi
Le premier standard largement soutenu par les fabricants d'équipements a été le 802.11b. Comme vous pouvez le voir, la fréquence des innovations depuis la fin du XXe siècle a été relativement stable : des changements qualitatifs nécessitent du temps. Au cours des dernières années, les principaux travaux ont été réalisés pour améliorer l'environnement physique de transmission du signal. Pour mieux comprendre les problèmes contemporains du Wi-Fi, revenons à ses bases physiques.
Rappelons les bases !
Les ondes radio sont un cas particulier des ondes électromagnétiques, se propageant à partir d'une source de perturbations des champs électrique et magnétique. Elles se caractérisent par trois paramètres principaux : le vecteur d'onde, ainsi que les vecteurs d'intensité des champs électrique et magnétique. Les trois sont mutuellement perpendiculaires. On appelle fréquence de l'onde le nombre d'oscillations répétées qui se produisent dans une unité de temps.
Tout cela sont des faits bien connus. Cependant, pour aller au bout, nous devons commencer par le début.
Sur une échelle conditionnelle des bandes de fréquences du rayonnement électromagnétique, la bande radio occupe la partie inférieure (basse fréquence). Elle comprend les ondes électromagnétiques dont la fréquence d'oscillation varie 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 il est possible de transmettre de l'énergie à l'onde radio, mais en même temps, elle contourne moins bien les obstacles et s'atténue plus rapidement. L'inverse est également vrai. En tenant compte de ces particularités, deux bandes de fréquences principales ont été choisies pour le Wi-Fi : 2,4 GHz (plage de fréquences de 2,4000 à 2,4835 GHz) et 5 GHz (plages de fréquences de 5,170 à 5,330, 5,490 à 5,730 et 5,735 à 5,835 GHz).
Les ondes radio se propagent dans toutes les directions, et pour que les messages n'interfèrent pas les uns avec les autres à cause de l'effet d'interférence, la bande de fréquence est divisée en segments étroits distincts - des canaux avec la ou les . Sur le schéma ci-dessus, on peut voir que les canaux voisins 1 et 2 avec une bande passante de 20 MHz vont interférer, tandis que 1 et 6 ne le feront pas.
Le signal à l'intérieur d'un canal est transmis à l'aide d'une onde radio à une fréquence porteuse spécifique. Pour transmettre des informations, les paramètres de l'onde peuvent être en fréquence, amplitude ou phase.
La séparation des canaux dans les bandes de fréquences Wi-Fi
La bande de fréquence de 2,4 GHz est divisée en 14 canaux partiellement chevauchants de largeur optimale - 20 MHz. On pensait autrefois que cela suffisait amplement pour organiser un réseau sans fil complexe. Il est bientôt devenu évident que la capacité de la bande s'épuise rapidement, c'est pourquoi la bande de 5 GHz a été ajoutée, dont la capacité spectrale est beaucoup plus élevée. Dans celle-ci, en plus des canaux de 20 mégahertz, il est possible de définir des canaux de 40 et 80 MHz de largeur.
Pour améliorer encore l'utilisation de l'espace radioélectrique, la technologie de multiplexage par répartition orthogonale des fréquences est actuellement largement utilisée ().
Elle implique l'utilisation d'une fréquence porteuse en même temps que plusieurs fréquences sous-porteuses dans le même canal, permettant la transmission parallèle des données. L'OFDM permet de répartir le trafic de manière suffisamment « granulaire », mais en raison de son ancienneté, il conserve plusieurs inconvénients importants. Parmi eux, les principes de fonctionnement selon le protocole réseau CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), selon lequel à certains moments, un seul utilisateur peut fonctionner sur une porteuse et une sous-porteuse.
Flux spatiaux
Une méthode importante pour augmenter la capacité des réseaux sans fil est l'utilisation de flux spatiaux.
Le point d'accès est équipé de plusieurs modules radio (un, deux ou plusieurs), qui sont connectés à un certain nombre d'antennes. Ces antennes émettent selon un schéma et une modulation spécifiques, et nous recevons les informations transmises par le biais de l'environnement sans fil. Un flux spatial peut se former entre une antenne physique spécifique (module radio) du point d'accès et un appareil utilisateur. Grâce à cela, le volume total des informations transmises par le point d'accès augmente en fonction du nombre de flux (antennes).
Selon les normes actuelles, il est possible de réaliser jusqu'à quatre flux spatiaux dans la bande de 2,4 GHz et jusqu'à huit dans la bande de 5 GHz.
Auparavant, lors de l'utilisation des bandes de 2,4 et 5 GHz, nous nous basions uniquement sur le nombre de modules radio. La présence d'un second module radio offrait une flexibilité supplémentaire, car elle permettait aux anciens appareils abonnés de fonctionner à la fréquence de 2,4 GHz, tandis que les nouveaux pouvaient opérer à 5 GHz. Avec l'apparition de modules radio supplémentaires, certains problèmes ont surgi. Les éléments émetteurs tendent à induire des interférences les uns sur les autres, ce qui augmente le coût de l'appareil en raison de la nécessité d'une conception de qualité supérieure et d'équiper le point d'accès de filtres de compensation. Ainsi, il n'est devenu possible que récemment de maintenir simultanément 16 flux spatiaux sur un seul point d'accès.
Vitesse pratique et théorique
En raison des mécanismes de fonctionnement de l'OFDM, nous n'avons pas pu obtenir la capacité de réseau maximale. Les calculs théoriques pour l'application pratique de l'OFDM ont été réalisés il y a longtemps et uniquement dans des environnements idéaux, où l'on s'attendait à un rapport «signal - bruit» (SNR) suffisamment élevé et une probabilité d'erreur binaire (BER) faible. Dans les conditions modernes de forte pollution de tous les spectres de radiofréquence qui nous intéressent, les capacités des réseaux basés sur l'OFDM sont désespérément faibles. Et le protocole a continué à porter ces défauts jusqu'à ce que la technologie OFDMA (accès multiple par répartition en fréquence orthogonale) vienne à son secours. Nous en parlerons un peu plus loin.
Parlons des antennes
Comme vous le savez, chaque antenne a un coefficient de gain, en fonction duquel se forme le motif spatial de propagation du signal (beamforming) avec une certaine zone de couverture (nous ne prenons pas en compte la réflexion des signaux, etc.). C'est sur cela que les concepteurs se sont toujours appuyés pour déterminer où exactement les points d'accès devraient être placés. Pendant longtemps, la forme du motif est restée inchangée et n'a été qu'augmentée ou diminuée proportionnellement aux caractéristiques de l'antenne.
Les éléments d'antenne modernes deviennent de plus en plus contrôlables et permettent de modifier dynamiquement le motif spatial de propagation du signal en temps réel.
À gauche de l'image en haut, le principe de propagation des ondes radio est illustré par l'utilisation d'une antenne omnidirectionnelle standard. En augmentant la puissance du signal, nous ne pouvions que modifier le rayon de couverture sans avoir la possibilité d'influencer de manière significative la qualité d'utilisation du canal — KQI (Key Quality Indicators). Ce paramètre est extrêmement important pour établir une connexion dans un environnement où l'appareil de l'abonné se déplace fréquemment.
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 ainsi des motifs de propagation en fonction de la position de l'utilisateur.
Cela a permis de se rapprocher de l'application de la technologie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Grâce à elle, le point d'accès peut à tout moment créer des flux d'émission dirigés précisément vers les appareils des abonnés.
De la physique aux normes 802.11
Avec l'évolution des normes Wi-Fi, les principes de fonctionnement de la couche physique du réseau ont changé. L'utilisation d'autres mécanismes de modulation a permis — à partir des versions 802.11g/n — de contenir beaucoup plus d'informations dans le créneau horaire, permettant ainsi de travailler avec un plus grand nombre d'utilisateurs. En outre, cela a également été rendu possible grâce à l'utilisation de flux spatiaux. La flexibilité nouvellement acquise en ce qui concerne la largeur de bande a permis de créer un plus grand nombre de ressources pour MIMO.
L'année prochaine, l'adoption de la norme Wi-Fi 7 est prévue. Qu'est-ce qui changera avec son arrivée ? En plus de l'augmentation habituelle de la vitesse et de l'ajout de la bande de 6 GHz, il sera possible de travailler avec des canaux agréés larges, comme 320 MHz. Cela est particulièrement intéressant dans le cadre d'applications industrielles.
Capacité théorique de Wi-Fi 6
La formule théorique de calcul du débit nominal de Wi-Fi 6 est assez complexe et dépend de nombreux paramètres, allant du nombre de flux spatiaux à l'information que nous pouvons insérer dans la sous-porteuse (ou les sous-porteuses, s'il y en a plusieurs) par unité de temps.
Comme vous pouvez le voir, de nombreux aspects dépendent des flux spatiaux. Autrefois, l'augmentation de leur nombre, associée à l'utilisation du STC (Space-Time Coding) et du MRC (Maximum Ratio Combining), détériorait globalement les performances de la solution sans fil.
Nouvelles technologies clés du niveau physique
Passons aux technologies clés du niveau physique — commençons par le premier niveau du modèle OSI.
Rappelons qu'en OFDM, un certain nombre de sous-porteuses est utilisé, permettant de transmettre un volume d'informations sans interférence.
Dans cet exemple, nous utilisons une bande de 5,220 GHz, contenant 48 sous-canaux. En agrégeant cette bande, nous obtiendrons un plus grand nombre de sous-porteuses, chacune ayant son propre schéma de modulation.
Le Wi-Fi 5 utilise la modulation en amplitude en quadrature 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ce qui permet de former, dans le cadre de la fréquence porteuse, un champ de 16 x 16 points, différenciés par amplitude et phase. Le désavantage réside dans le fait qu'à chaque instant, seule une station peut transmettre à la fréquence porteuse.
La multiplexion par division de fréquence orthogonale des canaux (OFDMA) est dérivée du monde des opérateurs de téléphonie mobile, a gagné en popularité avec le LTE et est utilisée pour organiser le downlink (canal de communication vers l'abonné). Elle permet de travailler avec la bande à un niveau de ce que l'on appelle des unités de ressources. Ces unités aident à diviser un bloc en un certain nombre de composants. Dans le cadre de ce bloc, nous pouvons, à tout moment, ne pas travailler strictement avec un seul élément émetteur (utilisateur ou point d'accès), mais combiner des dizaines d'éléments. Cela permet d'obtenir des résultats remarquables.
Simple agrégation de canaux dans le Wi-Fi 6
L'agrégation de canaux (Channel Bonding) dans le Wi-Fi 6 permet d'obtenir des canaux combinés d'une largeur de 20 à 160 MHz. De plus, l'agrégation ne doit pas nécessairement se faire dans des bandes adjacentes. Par exemple, un bloc peut être pris dans la bande de 5,17 GHz, tandis qu'un second provient de la bande de 5,135 GHz. Cela permet de construire de manière flexible l'environnement radio même en présence de forts facteurs d'interférence ou à proximité d'autres stations émettrices permanentes.
De SIMO à MIMO
La méthode MIMO n'a pas toujours été avec nous. Autrefois, la communication mobile devait se limiter au mode SIMO, qui impliquait que la station abonnée possède plusieurs antennes fonctionnant simultanément pour recevoir des informations.
Le MU-MIMO vise à transmettre des informations aux utilisateurs en utilisant l'ensemble du fond d'antennes actuel. Cela supprime les limitations imposées auparavant par le protocole CSMA/CA, liées à l'envoi de jetons aux appareils abonnés pour la transmission. Désormais, les utilisateurs sont regroupés et chaque membre du groupe reçoit sa part des ressources du fond d'antennes du point d'accès, sans attendre son tour.
Formation du faisceau radio
Une règle importante du fonctionnement du MU-MIMO est de maintenir un mode de fonctionnement du fond d'antennes qui n'entraîne pas de chevauchement des ondes radio et de pertes d'informations dues à la superposition de phases.
Cela nécessite des calculs mathématiques complexes du côté du point d'accès. Si le terminal prend en charge cette fonction, le MU-MIMO lui permet de signaler au point d'accès avec quel délai il reçoit le signal sur chaque antenne spécifique. Le point d'accès ajuste alors ses antennes pour former un faisceau dirigé de manière optimale.
Quel en est le résultat global ?
Les cercles blancs avec des chiffres dans le tableau représentent les scénarios actuels d'application du Wi-Fi des générations précédentes. Les cercles bleus (voir illustration ci-dessus) décrivent les capacités du Wi-Fi 6, tandis que les cercles gris illustrent un avenir proche.
Les principaux avantages offerts par les nouvelles solutions prenant en charge l'OFDMA sont liés aux unités de ressources mises en œuvre à un niveau similaire à celui du TDM (Time Division Multiplexing). Cela n'existait pas auparavant dans le Wi-Fi. Cela permet de contrôler précisément la bande passante allouée, garantissant un temps de propagation minimal du signal à travers le milieu et le niveau de fiabilité requis. Heureusement, personne ne doute que les indicateurs de fiabilité du Wi-Fi nécessitent une amélioration.
L'histoire progresse en spirale, et la situation actuelle ressemble à celle qui s'est développée autour de l'Ethernet à l'époque. À l'époque, il était déjà établi que l'environnement de transmission CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) n'assure aucune bande passante garantie. Et cela a continué jusqu'à la transition vers l'IEEE 802.3z.
En ce qui concerne les modèles d'application généraux, comme vous pouvez le voir, avec chaque génération de Wi-Fi, les scénarios d'utilisation se multiplient, devenant de plus en plus sensibles aux latences, à la gigue générale Revenons encore sur l'environnement physique.
Parlons maintenant de ce qui forme le nouvel environnement physique. Lors de l'utilisation de CSMA/CA et d'OFDMA, l'augmentation du nombre de points d'accès actifs (Active STA) entraînait une forte baisse de la capacité du canal de 20 mégahertz. Cela était dû à des technologies STC (Space-Time Coding) et MRC (Maximum Ratio Combining) qui n'étaient pas des plus récentes.
OFDMA, grâce à l'utilisation d'unités de ressources, peut interagir efficacement avec des stations éloignées et à faible puissance. Cela nous permet de fonctionner sur une même fréquence porteuse avec des utilisateurs consommant différents volumes de ressources. Un utilisateur peut occuper une unité, tandis qu'un autre peut en occuper toutes les autres.
Pourquoi OFDMA n'existait-il pas auparavant ?
Et enfin, la question principale : pourquoi OFDMA n'était-il pas disponible auparavant ? Étonnamment, tout était une question d'argent.
Il a longtemps été considéré que le coût du module Wi-Fi devait être minimum. Lors du lancement du protocole en exploitation commerciale en 1997, il avait été décidé que le coût de production d'un tel module ne devait pas dépasser 1 $. En conséquence, le développement de la technologie a suivi une voie sous-optimale. Ici, nous ne prenons pas en compte le LTE opérateur, où OFDMA est utilisé depuis déjà longtemps.
Finalement, le groupe de travail sur le Wi-Fi a décidé de prendre ces travaux du monde des opérateurs de réseau et de les transférer dans le monde des réseaux d'entreprise. La tâche principale était de passer à l'utilisation d'éléments de meilleure qualité, tels que des filtres et des oscillateurs.
Pourquoi était-il si difficile de travailler avec les anciennes codifications 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. OFDMA a prouvé que le problème était résoluble.
OFDMA a démontré que le problème était résoluble.
La lutte contre les interférences repose désormais sur les mathématiques. Si la fenêtre de transmission des informations est suffisamment longue, l'interférence dynamique qui en résulte entraîne des problèmes. De nouveaux algorithmes de fonctionnement permettent de s'en défaire, en excluant non seulement l'influence des interférences liées à la transmission Wi-Fi, mais aussi celles provenant de toute autre source dans cette gamme.
Grâce à la lutte adaptative contre les interférences, nous pouvons obtenir un gain allant jusqu'à 11 dB même dans des environnements hétérogènes difficiles. L'utilisation de solutions algorithmiques propres à Huawei a permis d'optimiser de manière significative là où cela est nécessaire — dans les solutions en intérieur. Ce qui fonctionne bien en 5G n'est pas nécessairement adapté à l'environnement Wi-Fi 6. Les approches Massive MIMO et MU-MIMO diffèrent entre les solutions en intérieur et en extérieur. Là où c'est nécessaire, l'utilisation de solutions coûteuses, comme en 5G, est justifiée. Cependant, d'autres options, telles que Wi-Fi 6, sont nécessaires pour garantir les latences et d'autres métriques que nous avons appris à attendre de la part des opérateurs de télécommunications.
Nous empruntons à eux les outils qui seront utiles pour nous en tant que consommateurs d'entreprise, tout cela pour garantir un environnement physique sur lequel nous pouvons compter.
***
D'ailleurs, n'oubliez pas nos nombreux webinaires sur les nouveautés Huawei de 2020, organisés non seulement dans le segment russophone, mais aussi à l'échelle mondiale. La liste des webinaires des semaines à venir est disponible à l'adresse .
Source : habr.com
