La chose la plus importante dans le Wi-Fi 6. Non, sérieusement

Hey.

Si vous croyez à la théorie de la simplicité d'Einstein, le principal indicateur de la compréhension d'un sujet est la capacité de l'expliquer aussi simplement que possible, alors dans cet article, je vais essayer d'expliquer aussi simplement et complètement que possible l'effet d'un seul détail du nouveau. standard, que, pour une raison quelconque, même la Wi-Fi Alliance considère indigne de mentionner dans l'infographie sur les nouvelles fonctionnalités du Wi-Fi 6, même si, comme nous le verrons bientôt ensemble, elle est très importante et remarquable. Tout ici n'est pas assez profond et certainement pas complet (car un tel éléphant est difficile à manger même en partie), mais j'espère que nous apprendrons tous quelque chose de nouveau et d'intéressant pour nous-mêmes grâce à mes exercices verbaux.

Ce même 802.11ax, que nous attendons tous les jours depuis au moins la deuxième année, apporte beaucoup de choses nouvelles et étonnantes. Quiconque veut raconter quelque chose sur lui a toujours le choix : soit faire un tour d'horizon au-dessus des têtes, en mentionnant un seau d'abréviations et d'abréviations, en essayant de ne pas s'enliser dans les mécanismes complexes sous le capot de chacun d'eux, soit envelopper un rapport d'une heure sur une chose qui plaît le plus à l'auteur. Je me risquerai à aller encore plus loin : l’essentiel de ma note sera consacré à quelque chose qui n’est même pas nouveau !

Ainsi, depuis plus de vingt ans maintenant, certains réseaux de données sans fil ont été construits selon un ensemble de normes de la famille 802.11, et, comme tout intervenant qui se respecte, je devrais légèrement restaurer la chronologie de l'ensemble de la chaîne. d'événements qui ont donné au monde des milliards d'appareils interopérables - mais, en tant qu'auteur qui respecte le lecteur, je risque toujours de ne pas le faire. Cependant, nous devrions nous rappeler quelque chose.

Toutes les itérations du Wi-Fi ont donné la priorité à la fiabilité plutôt qu’à la maximisation du débit. Cela découle du mécanisme d'accès au support (CSMA/CA), qui n'est pas le plus optimal du point de vue de l'extraction des derniers kilobits par seconde du support de transmission (vous pouvez en savoir plus sur les imperfections du monde en général et du Wi-Fi). -Fi notamment dans l'article de mon ancien collègue skhom voici les spots), mais incroyablement durable dans presque toutes les conditions. En fait, vous pouvez briser presque tous les principes fondamentaux de la conception d'un réseau Wi-Fi - et un tel réseau échangera toujours des données ! L'ensemble du mécanisme par lequel les clients du réseau Wi-Fi sont capables de transmettre et/ou de recevoir leurs portions de données vise à garantir ce qu'on appelle en anglais un mot avec un flair de technocratie difficile à traduire, la robustesse. Toute la couche de modulation augmente, l'agrégation de trames avec des données (pas exactement comme ça, mais qu'il en soit ainsi !) étalées dessus continue de fonctionner selon les deux grands principes du 802.11, qui assurent cette fiabilité inégalée :

1. « Pendant que l'un parle, les autres se taisent » ;
2. « Tout, sauf les données, est dit lentement et clairement. »

Le deuxième point cause beaucoup plus de dommages à la bande passante du réseau qu’il n’y paraît à première vue. Voici une image sympa illustrant une donnée envoyée sur un réseau Wi-Fi :

Voyons ce que cela signifie pour les gens ordinaires qui ne savent pas combien de pages il y a dans la norme 802.11-2016. La vitesse de transfert des données que le système écrit dans les propriétés du réseau sans fil et que les spécialistes du marketing de tous les fabricants utilisent dans les boîtiers de points d'accès (enfin, vous l'avez probablement vu - 1,7 Gb/s ! 2,4 Gb/s ! 9000 Gb/s !) , non seulement c'est le pic et le maximum à 100% du temps occupé par la transmission, mais c'est aussi la vitesse à laquelle seule la partie bleue de ce beau graphique sera envoyée. Tout le reste sera envoyé à une vitesse appelée taux de gestion en anglais (et en russe aussi, car la traduction de telles expressions menace de nouveaux malentendus entre ingénieurs), et qui est inférieure non seulement de plusieurs fois, mais d'un facteur de DES CENTAINES une fois. Par exemple, sans aucun paramètre supplémentaire, un réseau 802.11ac, capable de fonctionner avec des clients à une vitesse de canal de 1300 6 Mb/s, transmet toutes les informations de service (tout ce qui n'est pas bleu dans notre graphique de plus en plus terrible) à un taux de gestion de XNUMX. Mo/s. Plus de deux cents fois plus lentement !

La question logique est la suivante : depuis quel mois, excusez-moi, une telle idée de sabotage pourrait-elle devenir une partie de la norme selon laquelle des milliards d'appareils fonctionnent dans le monde ? La réponse logique est compatibilité, compatibilité, compatibilité ! Le réseau sur le point d'accès le plus récent devrait offrir la possibilité de fonctionner pour des appareils âgés de dix, voire quinze ans, et c'est dans tous ces éléments « non bleus » que volent les informations que les appareils âgés lents entendront, comprendront correctement et n'essaiera pas de transmettre des morceaux de données à ultra-haute vitesse. La robustesse demande des sacrifices !

Maintenant, je suis prêt à donner à tous ceux qui sont intéressés un outil indispensable pour être horrifié par les mégabits transmis potentiellement perdus sans but dans le Wi-Fi moderne - cela est déjà devenu obligatoire pour l'étude dans les cercles d'ingénierie concernés. Le calculateur de temps d'antenne WiFi par Gjermund Raaen, passionné du norvégien 802.11. Il est disponible à ce lien — le résultat de son travail ressemble à ceci :

La ligne 1 correspond au temps passé à transmettre un paquet de données de 1512 802.11 octets par un appareil 20n dans une largeur de canal de XNUMX MHz.

La ligne 2 est le temps passé à transmettre le même paquet par un appareil avec la même formule d'antenne, mais fonctionnant déjà selon la norme 802.11ac dans un canal de 80 MHz.

Comment est-ce possible - quatre fois plus de temps d'antenne a été « gâché », la modulation maximale est devenue plus complexe de 64QAM à 256QAM, la vitesse du canal est plus élevée SIX fois (433 Mb/s au lieu de 72 Mb/s), mais au maximum 25 % du temps d'antenne a été gagné ?

Compatibilité et deux principes du 802.11, vous vous souvenez ?

Eh bien, comment pouvons-nous corriger une telle injustice et un tel gaspillage - nous nous demandons, comme s'est probablement demandé tout groupe de travail de l'IEEE qui a commencé à créer une norme ? Plusieurs chemins logiques me viennent à l’esprit :

1. Accélérez le transfert de données dans la partie « verte » du graphique. Cela se fait lors de la publication de chaque norme, car les grands nombres sont jolis sur les boîtes. En pratique, comme nous venons de le remarquer, cela donne une augmentation finie - même si nous accélérons la vitesse du canal à cent milliards de gigabits par nanoseconde, toutes les autres parties du graphique ne disparaîtront pas. C'est pourquoi je recommande que dans toutes les histoires sur toutes les nouvelles normes 802.11, sautez les paragraphes qui mentionnent les mégabits par seconde.
2. Accélérez toutes les autres parties du graphique. En effet, si on double au moins la vitesse à laquelle tout ce qui est « non vert » est transmis (enfin, ou « non bleu », si vous regardez toujours l'image précédente), alors nous obtiendrons un peu moins de 50 % d'augmentation du débit réel - cependant, en perdant la compatibilité avec les appareils et un certain nombre d'autres nuances que vous découvrirez lorsque vous irez vous préparer à l'examen pour le fier titre de CWNA :) Spoiler : vous ne pourrez pas toujours faites-le, après avoir bien réfléchi et compris à quoi cela mènera. En fait, il s’agit d’une violation de l’un des deux principes du 802.11, il faut donc y être très prudent !
3. Assemblez plusieurs cadres comme celui-ci avec les parties vertes ensemble. Plus la partie verte est longue, plus l’augmentation de la vitesse du canal est efficace. Oui, il s’agit d’une stratégie tout à fait efficace, apparue dès le 802.11n et qui constitue l’une des pierres angulaires de sa nature révolutionnaire. Le seul problème est que, d'une part, un certain nombre d'applications s'en foutaient d'une telle agrégation (par exemple, cette même voix sur Wi-Fi assoiffée de sang), et d'autre part, un certain nombre d'appareils s'en fichaient également (D'une manière ou d'une autre, j'ai décidé de l'attraper. Il y aurait eu plusieurs de ces trames agrégées sur le réseau réel de l'entreprise pour laquelle je travaille, mais pour > 500 XNUMX trames « captées », il n'y avait exactement aucune trame agrégée. Très probablement, le problème est dans ma méthodologie de collecte de données, mais je suis prêt à en discuter avec n'importe qui, n'importe où, parfois lors d'une conversation personnelle !).
4. Violez le premier des deux principes du 802.11 en commençant à parler lorsque quelqu'un d'autre parle. Et c’est là que le 802.11ax vient à la rescousse.

C'est génial d'avoir enfin abordé le Wi-Fi 6 lui-même dans mon histoire sur le Wi-Fi 6 ! Si vous lisez encore ceci, soit vous devez le faire pour une raison quelconque, soit vous êtes vraiment intéressé. Ainsi, même si le 802.11ax hérite d'une grande partie des développements précédents de toute la famille 802.11 (et pas seulement, d'ailleurs - des choses intéressantes sont apparues dans le 802.16, alias WiMAX), quelque chose y est encore frais et original. Habituellement, ces mots sont accompagnés d'une image comme celle-ci, disponible sur le site Web de Wi-Fi Alliance :

Comme j'avais fait une réservation dès le début, dans la limite d'un article lisible nous ne pourrons considérer qu'un seul de ces points clés, ou plutôt aucun de ceux présentés sur la photo (quelle surprise !). Je suis sûr que vous avez déjà lu un million de descriptions rapides de chacun de ces huit éléments clés, mais je vais continuer ma fastidieuse longue histoire sur ce qui découle de l'OFDMA - le contrôle d'accès à plusieurs médias (contrôle d'accès MU), qui, comme on voit, je n’ai pas du tout eu l’infographie. Mais c’est complètement en vain !

L'accès multiple est quelque chose sans lequel diviser un canal en sous-porteuses n'a aucun sens. Pourquoi essayer d'examiner différentes parties du spectre s'il n'existe aucun mécanisme capable de forcer les clients du nouveau réseau Wi-Fi 6 à enfreindre l'une des règles jusqu'ici inébranlables et à commencer à parler en même temps ? Et, bien sûr, un tel mécanisme devait simplement apparaître - et réduire l'impact du problème « long » par rapport aux données d'information exclusives. Comment? Oui, c'est très simple : que la partie service « lente » soit envoyée de la même manière qu'avant, mais nous enverrons la partie « rapide », dans laquelle les données sont envoyées directement, simultanément depuis plusieurs (ou vers plusieurs) appareils sur commande! Cela ressemble à ceci :

Cela semble compliqué, mais au fond, c'est assez simple à expliquer : le point d'accès, à l'aide d'un cadre spécial compréhensible par tous les appareils (pas même Wi-Fi 6 !), signale qu'il est prêt à transmettre des données simultanément à STA1 et STA2. Étant donné que "l'en-tête" de cette trame est tout à fait compréhensible même pour les très, très anciens clients, ils concluent correctement que les ondes seront occupées pendant un certain temps à transmettre des informations à d'autres clients du réseau, et commencent à compter le temps jusqu'à la fin. de cette période (en fait, comme toujours en Wi-Fi). Mais les appareils STA1 et STA2 comprennent que désormais les données leur seront transmises d'une nouvelle manière, simultanément, chacun sur leur propre morceau de canal, et ils répondront au point d'accès en même temps, puis confirmeront également de manière synchrone la réception de le cadre (chacun avec sa propre portion de données !), et l'environnement est à nouveau libéré. « De bas en haut », cela fonctionne à peu près de la même manière :

La différence principale et la plus frappante est que le point d'accès dans cette situation indique aux stations qui peuvent parler en même temps quand commencer à transmettre, à l'aide d'une trame spéciale appelée Trigger. Il s'agit en fait d'un nouveau « déclencheur » de tout le mécanisme d'accès multiple simultané au support, qui est, à mon humble avis, l'une des innovations les plus importantes « sous le capot » du nouveau standard. C'est dans ce document que les clients reçoivent un « calendrier » sur la façon de diviser un canal de fréquence entre eux ; c'est ici que les clients informent simultanément le point d'accès qu'ils ont reçu leurs portions de données et qu'ils ont pu les analyser. Dans celui-ci, le point d'accès informe en même temps tous ceux qui peuvent « parler » du début de la transmission des données - dans celui-ci, le point d'accès commence à lui envoyer les données requises. Le nouveau mécanisme Trigger frame, en effet, vous permet de réduire l'utilisation irrationnelle du temps d'antenne - et aussi efficacement que de nombreux clients peuvent l'utiliser et le percevoir correctement !

Formulons maintenant les principales thèses qui découlent de toute cette longue histoire et qualifient pour TL;DR :

1. Les points d'accès de la nouvelle norme 802.11ax, même en s'appuyant sur une seule innovation parmi tant d'autres, commenceront déjà à augmenter le débit total de l'ensemble du réseau à partir de second appareil client compatible ! Dès qu'il y a au moins deux clients qui peuvent parler en même temps, alors, toutes choses étant égales par ailleurs (je n'ai aucune raison de supposer que les pilotes pour les modules radio clients seront mieux écrits qu'avant, ce qui signifie que l'agrégation des les parties « utiles » des frames, et de nombreuses autres fonctions dépendantes du client ne fonctionneront toujours pas « en moyenne dans un zoo »), elles augmenteront DÉJÀ le débit moyen. Donc, si vous envisagez un nouveau réseau Wi-Fi, il est logique de considérer immédiatement les points d'accès les plus récents et les meilleurs, car même s'il y a encore peu de clients pour eux, la situation ne restera pas ainsi longtemps.
2. Tous les trucs et astuces qui sont aujourd'hui dans l'arsenal d'un bon ingénieur sans fil resteront pertinents pendant longtemps - bien que le mécanisme d'accès au support ait été mis à jour, violant les principes fondamentaux qui durent plus de 20 ans, il reste toujours compatibilité au premier plan. Vous devez toujours supprimer les taux de gestion « lents » (et vous devez toujours comprendre pourquoi et quand), vous devez toujours planifier correctement la couche physique, car aucun mécanisme au niveau de la liaison de données ne fonctionnera s'il y a des problèmes au niveau physique. niveau. L'occasion vient de se présenter de faire encore mieux.
3. Presque toutes les décisions dans le Wi-Fi 6 sont prises par le point d'accès. Comme nous pouvons le constater, il contrôle l’accès des clients à l’environnement en regroupant les appareils en « périodes » de fonctionnement simultané. En s'éloignant un peu plus, le travail de TWT repose également entièrement sur les épaules du point d'accès. Désormais, le point d'accès doit non seulement « diffuser le réseau » et stocker le trafic dans des files d'attente, mais également conserver des enregistrements de tous les clients, en planifiant comment les combiner de manière plus rentable les uns avec les autres en fonction de leurs besoins en bande passante et en trafic, de leurs batteries et bien plus encore. — J’appelle ce processus « orchestration ». Les algorithmes par lesquels le point d'accès prendra toutes ces décisions ne sont pas réglementés, ce qui signifie que la véritable approche qualitative et structurelle des fabricants se manifestera précisément dans le développement d'algorithmes d'orchestration. Plus les points prédisent avec précision les besoins des clients, mieux et plus uniformément ils pourront les combiner en plusieurs groupes d'accès - par conséquent, plus les ressources de temps d'antenne seront utilisées de manière rationnelle et plus le débit final d'un tel point d'accès sera élevé. sera. L'algorithme est la dernière frontière !
4. La transition du Wi-Fi 5 au Wi-Fi 6 est aussi révolutionnaire par sa nature et son importance que la transition du 802.11g au 802.11n. Ensuite, nous avons eu le multi-threading et l'agrégation de « charges utiles » - maintenant nous avons un accès simultané au support et enfin le fonctionnement de MU-MIMO et Beamforming (premièrement, comme nous le savons, c'est presque la même chose ; deuxièmement, la discussion « pourquoi MU- MIMO a été inventé dans 802.11ac, mais n'a pas pu fonctionner » est le sujet d'un long article séparé :) Le 802.11n et le Wi-Fi 6 fonctionnent tous deux dans les deux bandes (2,4 GHz et 5 GHz), contrairement à leurs prédécesseurs « intermédiaires » - en réalité, « six est le nouveau quatre » !

Un peu sur les origines de cet article
L'article a été rédigé dans le cadre d'un concours organisé par Huawei (initialement publié ici). Lors de sa rédaction, je me suis largement appuyé sur mon propre rapport lors de la conférence « Bezprovodov », qui s'est tenue en 2019 à Saint-Pétersbourg (vous pouvez regarder l'enregistrement du discours sur Youtube, gardez juste à l'esprit que le son, à vrai dire, n'est pas génial, malgré l'origine de la vidéo à Saint-Pétersbourg !).

Source: habr.com