Yn har ûntjouwings fertrout Huawei op Wi-Fi 6. En fragen fan kollega's en klanten oer de nije generaasje fan 'e standert hawwe ús frege om in post te skriuwen oer de teoretyske fûneminten en fysike prinsipes dy't dêryn ynsletten binne. Litte wy fan skiednis nei natuerkunde gean en yn detail sjen wêrom OFDMA- en MU-MIMO-technologyen nedich binne. Litte wy ek prate oer hoe't in fûneminteel werynrjochte fysike gegevensferfiermedium it mooglik makke om garandearre kanaalkapasiteit te berikken en sa'n fermindering fan it totale nivo fan fertragingen dat se te fergelykjen waarden mei dy fan in operator. En dit nettsjinsteande it feit dat moderne 5G-basearre netwurken djoerder binne (gemiddeld 20-30 kear) dan indoor Wi-Fi 6-netwurken mei ferlykbere mooglikheden.
Foar Huawei is it ûnderwerp lang net idle: oplossingen dy't Wi-Fi 6 stypje binne ûnder ús meast trochbraakprodukten yn 2020, wêryn enoarme boarnen binne ynvestearre. Hjir is mar ien foarbyld: ûndersyk op it mêd fan materiaalwittenskip liet ús in alloy selektearje, wêrfan it gebrûk yn radio-eleminten fan in tagongspunt de sinjaal-to-lûd-ferhâlding mei 2-3 dB fergrutte: hoeden ôf foar Doron Ezri foar dizze prestaasje.
In bytsje skiednis
It makket sin om de skiednis fan Wi-Fi werom te tellen oant 1971, doe't professor Norman Abramson en in groep kollega's oan 'e Universiteit fan Hawaï en in groep kollega's it ALOHAnet draadloze pakketdatanetwurk ûntwikkele, bouden en lansearren.
Yn 1980, in groep fan noarmen en protokollen IEEE 802 waard goedkard, beskriuwt de organisaasje fan de twa legere lagen fan de sân-laach OSI netwurk model. Wy moasten 802.11 lange jierren wachtsje foar de frijlitting fan 'e earste ferzje fan 17.
Mei de oanname fan 'e 1997-standert yn 802.11, twa jier foar de berte fan' e Wi-Fi Alliance, kaam de earste generaasje fan 'e hjoeddeistige populêrste draadloze gegevenstechnology de bredere wrâld yn.
IEEE 802 standert. Wi-Fi generaasjes
De earste standert dy't wirklik breed waard stipe troch apparatuerfabrikanten wie 802.11b. Sa't jo sjen kinne, is de frekwinsje fan ynnovaasjes frij stabyl sûnt it ein fan 'e XNUMXe ieu: kwalitative feroarings nimme tiid. De lêste jierren is in protte wurk dien om it medium foar fysike sinjaaltransmission te ferbetterjen. Om de moderne problemen fan Wi-Fi better te begripen, litte wy nei har fysike fûneminten gean.
Lit ús de basis betinke!
Radioweagen binne in spesjaal gefal fan elektromagnetyske weagen - propagearje fan in boarne fan elektryske en magnetyske fjildfersteuringen. Se wurde karakterisearre troch trije haadparameters: de golfvektor, en ek de elektryske en magnetyske fjildsterkte. Alle trije steane ûnderling perpendikulêr op elkoar. Yn dit gefal wurdt de frekwinsje fan in welle meastentiids it oantal werhelle oscillaasjes neamd dy't passe yn in tiidienheid.
Dit binne allegear bekende feiten. Om lykwols oan it ein te kommen, binne wy twongen om fan it begjin ôf te begjinnen.
Op de konvinsjonele skaal fan frekwinsjeberiken fan elektromagnetyske strieling beslacht it radioberik it leechste (leechfrekwinsje) diel. It omfettet elektromagnetyske weagen mei in oscillaasjefrekwinsje fan 3 Hz oant 3000 GHz. Alle oare bands, ynklusyf sichtber ljocht, hawwe in folle hegere frekwinsje.
Hoe heger de frekwinsje, hoe mear enerzjy oan de radioweach jûn wurde kin, mar tagelyk bûcht er minder goed om obstakels hinne en wurdt it flugger ôfswakke. It tsjinoerstelde is ek wier. Mei dizze funksjes yn rekken brocht, waarden twa wichtichste frekwinsje berik selektearre foar Wi-Fi operaasje - 2,4 GHz (frekwinsje band fan 2,4000 oan 2,4835 GHz) en 5 GHz (frekwinsje bands 5,170-5,330, 5,490-5,730 en 5,735-5,835 GHz).
Radiogolven propagearje yn alle rjochtingen, en om foar te kommen dat berjochten inoar beynfloedzje troch it ynterferinsje-effekt, wurdt de frekwinsjeband meastentiids ferdield yn aparte smelle seksjes - kanalen mei ien of oare . It diagram hjirboppe lit sjen dat neistlizzende kanalen 1 en 2 mei in bânbreedte fan 20 MHz sil interfere mei elkoar, mar 1 en 6 net.
It sinjaal binnen it kanaal wurdt útstjoerd mei in radioweach op in bepaalde dragerfrekwinsje. Om ynformaasje oer te stjoeren, kinne golfparameters wêze troch frekwinsje, amplitude of faze.
Kanaal skieding yn Wi-Fi frekwinsje berik
It frekwinsjeberik fan 2,4 GHz is ferdield yn 14 foar in part oerlappende kanalen mei in optimale breedte fan 20 MHz. Eartiids waard leaud dat dit genôch genôch wie om in komplekse draadloze netwurk te organisearjen. It waard al rillegau dúdlik dat de kapasiteit fan it berik rap útput wie, sadat der it 5 GHz-berik oan tafoege waard, wêrfan de spektrale kapasiteit folle heger is. Dêryn, neist 20 MHz-kanalen, is it mooglik om kanalen te allocearjen mei in breedte fan 40 en 80 MHz.
Om de effisjinsje fan it brûken fan it radiofrekwinsjespektrum fierder te ferbetterjen, wurdt no in protte brûkte technology foar orthogonale frekwinsjedieling multiplexing ().
It giet om it brûken fan, tegearre mei de dragerfrekwinsje, ferskate subcarrierfrekwinsjes yn itselde kanaal, wat it mooglik makket om parallelle gegevensoerdracht út te fieren. OFDM lit jo ferkear fersprieden op in frij handige "granulêre" manier, mar troch syn earbiedweardige leeftyd behâldt it in oantal wichtige neidielen. Under harren binne de prinsipes fan wurkjen mei it CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) netwurkprotokol, neffens dêr't mar ien brûker kin wurkje op ien ferfierder en subcarrier op bepaalde tiden.
Romtlike streamingen
In wichtige manier om trochstreaming fan draadloze netwurken te fergrutsjen is troch it brûken fan romtlike streamen.
It tagongspunt draacht ferskate radiomodules (ien, twa of mear), dy't ferbûn binne mei in bepaald oantal antennes. Dizze antennes strielje neffens in bepaald patroan en modulaasje, en jo en ik ûntfange ynformaasje oer in draadloos medium. De romtlike stream kin foarme wurde tusken in spesifike fysike antenne (radiomodule) fan it tagongspunt en it brûkersapparaat. Hjirtroch nimt it totale folume fan ynformaasje oerdroegen fan it tagongspunt ta mei in mearfâld fan it oantal streamen (antennes).
Neffens hjoeddeistige noarmen kinne maksimaal fjouwer romtlike streamingen yn 'e 2,4 GHz-band ymplementearre wurde, en oant acht yn' e 5 GHz-band.
Earder, doe't wurke yn de 2,4 en 5 GHz bands, wy rjochte allinnich op it oantal radio modules. De oanwêzigens fan in twadde radiomodule joech ekstra fleksibiliteit, om't it âlde abonnee-apparaten koe operearje op in frekwinsje fan 2,4 GHz, en nije op in frekwinsje fan 5 GHz. Mei de komst fan de tredde en folgjende radio modules ûntstienen guon problemen. Strieljende eleminten hawwe de neiging om elkoar te bemuoien, wat de kosten fan it apparaat fergruttet troch de needsaak foar better ûntwerp en it tagongspunt út te rusten mei kompensaasjefilters. Sa is it pas koartlyn mooglik wurden om tagelyk 16 romtlike streamingen per tagongspunt te stypjen.
Praktyske en teoretyske snelheid
Troch OFDM-bestjoeringsmeganismen koene wy gjin maksimale netwurktrochput krije. Teoretyske berekkeningen foar de praktyske ymplemintaasje fan OFDM waarden útfierd in lange tiid lyn en allinnich yn relaasje ta ideale omjouwings, dêr't in frij hege sinjaal-to-noise ratio (SNR) en bit error rate (BER) waarden foarsisber ferwachte. Yn moderne omstannichheden fan sterke lûd yn alle radio frekwinsje spektrums dy't ynteressearje ús, de trochstreaming fan OFDM-basearre netwurken is depressingly leech. En it protokol bleau dizze tekoarten drage oant koartlyn, oant OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) technology kaam ta de rêding. Oer har - in bytsje fierder.
Litte wy prate oer antennes
Sa't jo witte, elke antenne hat in winst, ôfhinklik fan de wearde wêrfan in romtlike patroan fan sinjaal fuortplanting (beamforming) wurdt foarme mei in bepaald dekking gebiet (wy nimme gjin rekken mei sinjaal re-refleksje, ensfh). Dit is krekt wat ûntwerpers altyd har redenearring hawwe basearre op wêr't krekt tagongspunten moatte wurde pleatst. Foar in lange tiid, de foarm fan it patroan bleau ûnferoare en allinnich tanommen of fermindere yn ferhâlding ta de skaaimerken fan de antenne.
Moderne antenne-eleminten wurde mear en mear kontrolearber en tastean dynamyske feroarings yn it romtlike patroan fan sinjaal propagaasje yn real time.
De lofter figuer hjirboppe toant it prinsipe fan radiowave-propagaasje mei in standert omnidireksjonele antenne. Troch de sinjaalkrêft te ferheegjen, koene wy allinich de dekkingsradius feroarje sûnder de mooglikheid om de kwaliteit fan kanaalgebrûk signifikant te beynfloedzjen - KQI (Key Quality Indicators). En dizze yndikator is ekstreem wichtich by it organisearjen fan kommunikaasje yn betingsten fan faak beweging fan it abonnee-apparaat yn in draadloze omjouwing.
De oplossing foar it probleem wie it brûken fan in grut oantal lytse antennes, de lading dêr't kin wurde oanpast yn real time, foarmje fuortplanting patroanen ôfhinklik fan de romtlike posysje fan de brûker.
Sa wie it mooglik om tichtby it gebrûk fan MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) technology te kommen. Mei har help genereart it tagongspunt op elk momint stralingsstromen dy't spesifyk rjochte binne op abonnee-apparaten.
Fan natuerkunde oant 802.11 noarmen
As Wi-Fi-standerts evoluearre, feroare de prinsipes fan wurkjen mei de fysike laach fan it netwurk. It gebrûk fan oare modulaasjemeganismen hat it mooglik makke - begjinnend mei ferzjes fan 802.11g / n - om in folle gruttere hoemannichte ynformaasje yn in tiidslot te passen en dus mei in grutter oantal brûkers te wurkjen. Dat is ûnder oare berikt troch it brûken fan romtlike streamingen. En de nij fûne fleksibiliteit yn kanaalbreedte hat it mooglik makke om mear boarnen foar MIMO te generearjen.
De goedkarring fan 'e Wi-Fi 7-standert is pland foar takom jier. Wat sil feroarje mei syn komst? Neist de gewoane ferheging fan snelheid en de tafoeging fan 'e 6 GHz-band sil it mooglik wêze om te wurkjen mei brede aggregearre kanalen, lykas 320 MHz. Dit is benammen ynteressant yn 'e kontekst fan yndustriële tapassingen.
Teoretyske Wi-Fi 6 trochfier
De teoretyske formule foar it berekkenjen fan de nominale snelheid fan Wi-Fi 6 is frij kompleks en hinget ôf fan in protte parameters, begjinnend mei it oantal romtlike streamen en einigje mei de ynformaasje dy't wy kinne pleatse yn in subcarrier (as subcarriers, as d'r ferskate fan binne) harren) per ienheid fan tiid.
Sa't jo sjen kinne, hinget in protte ôf fan romtlike streamingen. Mar earder, in ferheging fan har oantal yn kombinaasje mei it brûken fan STC (Space-Time Coding) en MRC (Maximum Ratio Combining) fergrutte de prestaasjes fan 'e draadloze oplossing as gehiel.
Nije Key Physical Layer Technologies
Litte wy trochgean nei de kaaitechnologyen fan 'e fysike laach - en begjinne mei de earste laach fan it OSI-netwurkmodel.
Lit ús ûnthâlde dat OFDM in bepaald oantal subcarriers brûkt, dy't, sûnder elkoar te beynfloedzjen, by steat binne om in bepaalde hoemannichte ynformaasje te ferstjoeren.
Yn it foarbyld brûke wy de 5,220 GHz-band, dy't 48 subkanalen befettet. Troch dit kanaal te aggregearjen, krije wy in grutter oantal subcarriers, dy't elk in eigen modulaasjeskema brûke.
Wi-Fi 5 brûkt kwadratur amplitude modulaasje 256 QAM (kwadratur amplitude Modulation), dat kinne jo foarmje in fjild fan 16 x 16 punten binnen de drager frekwinsje yn ien tiid slot, ferskillend yn amplitude en faze. It ûngemak is dat op elts momint mar ien stasjon kin útstjoere op de dragerfrekwinsje.
Ortogonale frekwinsje ferdieling multiplexing (OFDMA) kaam út 'e wrâld fan mobile operators, waard wiidferspraat tagelyk mei LTE en wurdt brûkt om te organisearjen in downlink (kommunikaasje kanaal nei de abonnee). It lit jo wurkje mei it kanaal op it nivo fan saneamde boarne-ienheden. Dizze ienheden helpe in blok del te brekken yn in spesifyk oantal komponinten. Binnen in blok kinne wy op elk momint net strikt wurkje mei ien emittearjend elemint (brûker as tagongspunt), mar kombinearje tsientallen eleminten. Hjirmei kinne jo opmerklike resultaten berikke.
Maklike ferbining fan kanalen yn Wi-Fi 6
Channel Bonding yn Wi-Fi 6 lit jo kombineare kanalen krije mei in breedte fan 20 oant 160 MHz. Boppedat hoecht de ferbining net te meitsjen yn tichtby berik. Bygelyks, ien blok kin wurde nommen út de 5,17 GHz band, en de twadde út de 5,135 GHz band. Hjirmei kinne jo fleksibel in radio-omjouwing bouwe, sels yn 'e oanwêzigens fan sterke ynterferinsjefaktoaren of yn' e buert fan oare konstant emittearjende stasjons.
Fan SIMO nei MIMO
De MIMO-metoade hat net altyd by ús west. Eartiids moast mobile kommunikaasje beheind wurde ta de SIMO-modus, wat de oanwêzigens fan ferskate antennes op it abonneestasjon ymplisearre, tagelyk wurke om ynformaasje te ûntfangen.
MU-MIMO is ûntworpen om ynformaasje oer te stjoeren nei brûkers mei de heule hjoeddeistige antenne-stock. Dit ferwideret de beheiningen dy't earder oplein binne troch it CSMA / CA-protokol ferbûn mei it ferstjoeren fan tokens nei abonnee-apparaten foar oerdracht. No wurde brûkers ferienige yn in groep en elk groepslid krijt har diel fan 'e antenneboarne fan it tagongspunt, ynstee fan har beurt te wachtsjen.
Radio beam formaasje
In wichtige regel foar de wurking fan MU-MIMO is te behâlden in modus fan wurking fan de antenne array dat soe net liede ta ûnderlinge oerlaap fan radio weagen en ferlies fan ynformaasje fanwege faze tafoeging.
Dit freget komplekse wiskundige berekkeningen oan de tagong punt kant. As de terminal dizze funksje stipet, lit MU-MIMO it tagongspunt fertelle hoe lang it duorret om in sinjaal te ûntfangen by elke spesifike antenne. En it tagongspunt past op syn beurt syn antennes oan om in optimaal rjochte beam te foarmjen.
Wat jout dit ús yn 't algemien?
Wite sirkels mei sifers yn 'e tabel jouwe hjoeddeistige senario's oan foar it brûken fan Wi-Fi fan eardere generaasjes. De blauwe sirkels (sjoch yllustraasje hjirboppe) beskriuwe de mooglikheden fan Wi-Fi 6, en de grize binne in kwestje fan 'e heine takomst.
De wichtichste foardielen dy't nije OFDMA-ynskeakele oplossingen bringe binne relatearre oan boarne-ienheden dy't útfierd binne op in nivo fergelykber mei TDM (Time Division Multiplexing). Dit wie nea it gefal mei Wi-Fi foar. Hjirmei kinne jo de tawiisde bânbreedte dúdlik kontrolearje, en soargje foar minimale sinjaaltransittiid troch it medium en it fereaske nivo fan betrouberens. Gelokkich twifelet gjinien dat Wi-Fi-betrouberens yndikatoaren ferbetterje moatte.
Skiednis beweecht yn in spiraal, en de hjoeddeistige situaasje is fergelykber mei dejinge dy't yn ien kear om Ethernet ûntwikkele. Sels doe waard de miening fêststeld dat it CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) transmissionsmedium gjin garandearre trochslach leveret. En dit bleau oant de oergong nei IEEE 802.3z.
Wat de algemiene tapassingsmodellen oanbelanget, lykas jo kinne sjen, mei elke generaasje fan Wi-Fi, wurde de gebrûksscenario's fermannichfâldige, mear en gefoeliger foar fertragingen, algemien en betrouberens.
En wer oer de fysike omjouwing
No, no litte wy prate oer hoe't de nije fysike omjouwing wurdt foarme. By it brûken fan CSMA / CA en OFDM late in tanimming fan it oantal aktive STA's ta in serieuze drip yn 'e trochfier fan it 20 MHz-kanaal. Dit wie troch wat al neamd is: net de nijste technologyen STC (Space-Time Coding) en MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, troch it brûken fan boarne-ienheden, kin effektyf ynteraksje mei lange-ôfstân en lege macht stasjons. Wy krije de kâns om te wurkjen yn itselde dragerberik mei brûkers dy't ferskate hoemannichten boarnen konsumearje. Ien brûker kin besette ien ienheid, en in oar - alle oaren.
Wêrom wie d'r OFDMA net earder?
En as lêste, de wichtichste fraach: wêrom wie d'r earder gjin OFDMA? Nuver genôch kaam it allegear op jild.
Foar in lange tiid waard leaud dat de priis fan in Wi-Fi-module minimaal wêze soe. Doe't it protokol yn 1997 yn kommersjele operaasje lansearre waard, waard besletten dat de produksjekosten fan sa'n module net mear dan $1 koene. As resultaat naam de ûntwikkeling fan technology in suboptimaal paad. Hjir nimme wy gjin rekken mei operator LTE, dêr't OFDMA is brûkt foar in hiel lange tiid.
Uteinlik besleat de Wi-Fi-wurkgroep dizze ûntjouwings út 'e wrâld fan telekomoperators te nimmen en se nei de wrâld fan ûndernimmingsnetwurken te bringen. De wichtichste taak wie de oergong nei it brûken fan hegere kwaliteit eleminten, lykas filters en oscillatoren.
Wêrom wie it sa lestich foar ús om te wurkjen yn 'e âlde MRC-kodearrings mei of sûnder ynterferinsje? Omdat de MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) beamforming meganisme dramatysk fergrutte it oantal flaters sa gau as wy besocht te kombinearjen in grut oantal transmitting punten. OFDMA hat bewiisd dat it probleem oplost wurde kin.
De striid tsjin ynterferinsje is no basearre op wiskunde. As it oerdrachtfinster lang genôch is, feroarsaket de resultearjende dynamyske ynterferinsje problemen. Nije operearjende algoritmen meitsje it mooglik om se te foarkommen, eliminearje de ynfloed net allinich fan ynterferinsje ferbûn mei Wi-Fi-oerdracht, mar ek fan elke oare dy't yn dit berik bart.
Mei tank oan adaptive anty-ynterferinsje kinne wy winst berikke fan maksimaal 11 dB sels yn komplekse heterogene omjouwings. It gebrûk fan Huawei's eigen algoritmyske oplossingen makke it mooglik om serieuze optimalisaasje te berikken krekt wêr't it nedich wie - yn oplossingen foar binnen. Wat goed is yn 5G is net needsaaklik goed yn in Wi-Fi 6-omjouwing. Massive MIMO- en MU-MIMO-oanpak ferskille yn it gefal fan oplossings foar binnen en bûten. As it nedich is, is it passend om djoere oplossingen te brûken, lykas yn 5G. Mar oare opsjes binne nedich, lykas Wi-Fi 6, dy't de latency kin leverje en oare metriken dy't wy binne kommen te ferwachtsjen fan dragers.
Wy liene fan har de ark dy't nuttich sille wêze foar ús as ûndernimmingskonsuminten, allegear yn in poging om in fysike omjouwing te leverjen wêrop wy kinne fertrouwe.
***
Trouwens, ferjit net ús tal fan webinars oer nije Huawei-produkten fan 2020, hâlden net allinich yn it Russysktalige segmint, mar ek op wrâldwide nivo. In list mei webinars foar de kommende wiken is beskikber op .
Boarne: www.habr.com