Nos seus desenvolvementos, Huawei confía na Wi-Fi 6. E as preguntas de colegas e clientes sobre a nova xeración do estándar impulsáronnos a escribir unha publicación sobre os fundamentos teóricos e os principios físicos incorporados nel. Pasemos da historia á física e vexamos en detalle por que son necesarias as tecnoloxías OFDMA e MU-MIMO. Falemos tamén de como un medio físico de transmisión de datos fundamentalmente redeseñado permitiu conseguir unha capacidade de canle garantida e unha redución do nivel global de atrasos que se convertían en comparables aos do operador. E iso a pesar de que as redes modernas baseadas en 5G son máis caras (de media 20-30 veces) que as redes Wi-Fi 6 interiores con capacidades similares.
Para Huawei, o tema non é en absoluto inactivo: as solucións que admiten Wi-Fi 6 están entre os nosos produtos máis innovadores en 2020, nos que se investiron enormes recursos. Aquí tes só un exemplo: a investigación no campo da ciencia de materiais permitiunos seleccionar unha aliaxe, cuxo uso en elementos de radio dun punto de acceso aumentou a relación sinal-ruído en 2-3 dB: sombreiro para Doron Ezri para este logro.
Un pouco de historia
Ten sentido contar a historia da wifi ata 1971, cando na Universidade de Hawai, o profesor Norman Abramson e un grupo de colegas desenvolveron, construíron e lanzaron a rede sen fíos de paquetes de datos ALOHAnet.
En 1980, aprobouse un grupo de estándares e protocolos IEEE 802, que describe a organización das dúas capas inferiores do modelo de rede OSI de sete capas. Tivemos que esperar 802.11 longos anos antes do lanzamento da primeira versión de 17.
Coa adopción do estándar 1997 en 802.11, dous anos antes do nacemento da Wi-Fi Alliance, a primeira xeración da tecnoloxía de datos sen fíos máis popular de hoxe entrou no mundo máis amplo.
Estándar IEEE 802. Xeracións Wi-Fi
O primeiro estándar que foi realmente admitido polos fabricantes de equipos foi 802.11b. Como podedes ver, a frecuencia das innovacións mantívose bastante estable dende finais do século XX: os cambios cualitativos levan tempo. Nos últimos anos traballouse moito para mellorar o medio físico de transmisión do sinal. Para comprender mellor os problemas modernos da wifi, imos pasar aos seus fundamentos físicos.
Lembremos o básico!
As ondas de radio son un caso especial de ondas electromagnéticas, que se propagan a partir dunha fonte de perturbacións do campo eléctrico e magnético. Caracterízanse por tres parámetros principais: o vector de onda, así como os vectores de intensidade do campo eléctrico e magnético. Os tres son mutuamente perpendiculares entre si. Neste caso, a frecuencia dunha onda chámase normalmente o número de oscilacións repetidas que encaixan nunha unidade de tempo.
Todos estes son feitos coñecidos. Porén, para chegar ao final, vémonos obrigados a comezar dende o principio.
Na escala convencional de rangos de frecuencia da radiación electromagnética, o rango de radio ocupa a parte máis baixa (de baixa frecuencia). Inclúe ondas electromagnéticas cunha frecuencia de oscilación de 3 Hz a 3000 GHz. Todas as outras bandas, incluída a luz visible, teñen unha frecuencia moito máis alta.
Canto maior sexa a frecuencia, máis enerxía se lle pode impartir á onda de radio, pero ao mesmo tempo dobra os obstáculos menos ben e atenua máis rápido. O contrario tamén é certo. Tendo en conta estas características, seleccionáronse dous rangos de frecuencia principais para a operación Wi-Fi: 2,4 GHz (banda de frecuencias de 2,4000 a 2,4835 GHz) e 5 GHz (bandas de frecuencias 5,170-5,330, 5,490-5,730 e 5,735-5,835 GHz).
As ondas de radio propáganse en todas as direccións e, para evitar que as mensaxes se inflúan entre si debido ao efecto de interferencia, a banda de frecuencia adoita dividirse en seccións estreitas e separadas: canles cunha ou outra. . O diagrama anterior mostra que as canles adxacentes 1 e 2 cun ancho de banda de 20 MHz interferirán entre si, pero 1 e 6 non.
O sinal dentro da canle transmítese mediante unha onda de radio a unha determinada frecuencia portadora. Para transmitir información, os parámetros de onda poden ser por frecuencia, amplitude ou fase.
Separación de canles en intervalos de frecuencia wifi
O rango de frecuencia de 2,4 GHz divídese en 14 canles parcialmente superpostos cunha anchura óptima de 20 MHz. Unha vez cría que isto era suficiente para organizar unha rede sen fíos complexa. Pronto quedou claro que a capacidade do rango estaba a esgotarse rapidamente, polo que se lle engadiu o rango de 5 GHz, cuxa capacidade espectral é moito maior. Nel, ademais das canles de 20 MHz, é posible asignar canles cun ancho de 40 e 80 MHz.
Para mellorar aínda máis a eficiencia do uso do espectro de radiofrecuencia, a tecnoloxía de multiplexación por división de frecuencia ortogonal úsase amplamente ().
Supón utilizar, xunto coa frecuencia portadora, varias frecuencias subportadoras nunha mesma canle, o que permite realizar transmisións de datos en paralelo. OFDM permítelle distribuír o tráfico dun xeito "granular" bastante cómodo, pero debido á súa venerable idade, conserva unha serie de desvantaxes importantes. Entre eles están os principios de traballo mediante o protocolo de rede CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), segundo o cal só un usuario pode traballar nun operador e subportador en determinados momentos.
Fluxos espaciais
Unha forma importante de aumentar o rendemento da rede sen fíos é mediante o uso de fluxos espaciais.
O punto de acceso leva varios módulos de radio (un, dous ou máis), que están conectados a un número determinado de antenas. Estas antenas irradian segundo un determinado patrón e modulación, e ti e eu recibimos información transmitida por un medio sen fíos. O fluxo espacial pódese formar entre unha antena física específica (módulo de radio) do punto de acceso e o dispositivo do usuario. Grazas a isto, o volume total de información transmitida dende o punto de acceso aumenta nun múltiplo do número de fluxos (antenas).
Segundo os estándares actuais, pódense implementar ata catro fluxos espaciais na banda de 2,4 GHz e ata oito na banda de 5 GHz.
Anteriormente, cando traballabamos nas bandas de 2,4 e 5 GHz, centrábamos só no número de módulos de radio. A presenza dun segundo módulo de radio proporcionou flexibilidade adicional, xa que permitiu que os dispositivos de abonado antigos funcionasen a unha frecuencia de 2,4 GHz e que os novos funcionasen a unha frecuencia de 5 GHz. Coa chegada do terceiro e posteriores módulos de radio, xurdiron algúns problemas. Os elementos radiantes tenden a interferir entre si, o que aumenta o custo do dispositivo debido á necesidade dun mellor deseño e de equipar o punto de acceso con filtros de compensación. Polo tanto, só recentemente se fixo posible admitir simultaneamente 16 fluxos espaciais por punto de acceso.
Velocidade práctica e teórica
Debido aos mecanismos operativos de OFDM, non puidemos obter o máximo rendemento da rede. Os cálculos teóricos para a implementación práctica de OFDM realizáronse hai moito tempo e só en relación a contornas ideais, onde previsiblemente se esperaba unha relación sinal-ruído (SNR) e taxa de erro de bits (BER) bastante altas. En condicións modernas de forte ruído en todos os espectros de radiofrecuencia que nos interesan, o rendemento das redes baseadas en OFDM é deprimente baixo. E o protocolo continuou levando estas deficiencias ata hai pouco, ata que a tecnoloxía OFDMA (acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal) chegou ao rescate. Sobre ela - un pouco máis lonxe.
Falemos de antenas
Como sabedes, cada antena ten unha ganancia, dependendo do valor do cal se forma un patrón espacial de propagación do sinal (beamforming) cunha determinada área de cobertura (non temos en conta a re-reflexión do sinal, etc.). Isto é precisamente o que os deseñadores sempre basearon o seu razoamento en onde se deben colocar exactamente os puntos de acceso. Durante moito tempo, a forma do patrón permaneceu inalterada e só aumentou ou diminuíu en proporción ás características da antena.
Os elementos da antena moderna son cada vez máis controlables e permiten cambios dinámicos no patrón espacial de propagación do sinal en tempo real.
A figura da esquerda de arriba mostra o principio da propagación das ondas de radio usando unha antena omnidireccional estándar. Ao aumentar a potencia do sinal, só poderiamos cambiar o raio de cobertura sen poder influír significativamente na calidade do uso da canle - KQI (Key Quality Indicators). E este indicador é moi importante cando se organizan as comunicacións en condicións de movemento frecuente do dispositivo do abonado nun ambiente sen fíos.
A solución ao problema foi o uso dunha gran cantidade de pequenas antenas, cuxa carga se pode axustar en tempo real, formando patróns de propagación en función da posición espacial do usuario.
Así, foi posible achegarse ao uso da tecnoloxía MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Coa súa axuda, o punto de acceso xera en calquera momento fluxos de radiación dirixidos especificamente aos dispositivos do abonado.
Da física aos estándares 802.11
A medida que evolucionaron os estándares de wifi, os principios de traballo coa capa física da rede cambiaron. O uso doutros mecanismos de modulación permitiu -a partir das versións 802.11g/n- encaixar nunha franxa horaria unha cantidade moito maior de información e, en consecuencia, traballar cun maior número de usuarios. Entre outras cousas, conseguiuse mediante o uso de fluxos espaciais. E a nova flexibilidade no ancho da canle permitiu xerar máis recursos para MIMO.
Para o próximo ano está prevista a aprobación do estándar Wi-Fi 7. Que cambiará coa súa chegada? Ademais do habitual aumento da velocidade e a incorporación da banda de 6 GHz, poderase traballar con canles agregadas amplas, como 320 MHz. Isto é especialmente interesante no contexto das aplicacións industriais.
Rendemento teórico de Wi-Fi 6
A fórmula teórica para calcular a velocidade nominal do Wi-Fi 6 é bastante complexa e depende de moitos parámetros, comezando polo número de fluxos espaciais e rematando pola información que podemos poñer nunha subportadora (ou subportadoras, se hai varias delas). eles) por unidade de tempo.
Como podes ver, moito depende dos fluxos espaciais. Pero antes, un aumento do seu número en combinación co uso de STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining) empeorou o rendemento da solución sen fíos no seu conxunto.
Novas tecnoloxías clave da capa física
Pasemos ás tecnoloxías clave da capa física e comecemos coa primeira capa do modelo de rede OSI.
Lembremos que OFDM utiliza un certo número de subportadoras que, sen afectarse entre si, son capaces de transmitir unha certa cantidade de información.
No exemplo, usamos a banda de 5,220 GHz, que contén 48 subcanles. Ao agregar esta canle, obtemos un maior número de subportadoras, cada unha das cales usa o seu propio esquema de modulación.
Wi-Fi 5 usa a modulación de amplitude en cuadratura 256 QAM (Modulación de amplitude en cuadratura), que che permite formar un campo de 16 x 16 puntos dentro da frecuencia portadora nun intervalo de tempo, diferenciándose en amplitude e fase. O inconveniente é que nun momento dado só unha estación pode transmitir na frecuencia portadora.
A multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) veu do mundo dos operadores móbiles, xeneralizouse ao mesmo tempo que LTE e úsase para organizar un enlace descendente (canle de comunicación ao abonado). Permite traballar coa canle a nivel das chamadas unidades de recursos. Estas unidades axudan a dividir un bloque nun número específico de compoñentes. Dentro dun bloque, en cada momento non podemos traballar estrictamente cun elemento emisor (usuario ou punto de acceso), senón combinar ducias de elementos. Isto permítelle acadar resultados notables.
Conexión fácil de canles en Wi-Fi 6
A vinculación de canles en Wi-Fi 6 permítelle obter canles combinadas cunha anchura de 20 a 160 MHz. Ademais, a conexión non ten que realizarse en zonas próximas. Por exemplo, un bloque pódese tomar da banda de 5,17 GHz e o segundo da banda de 5,135 GHz. Isto permítelle construír de forma flexible un ambiente de radio mesmo en presenza de fortes factores de interferencia ou na proximidade doutras estacións de emisión constante.
De SIMO a MIMO
O método MIMO non sempre estivo connosco. Noutrora, as comunicacións móbiles tiñan que limitarse ao modo SIMO, o que implicaba a presenza de varias antenas na estación de abonado, traballando simultaneamente para recibir información.
MU-MIMO está deseñado para transmitir información aos usuarios usando todo o stock actual de antenas. Isto elimina as restricións impostas anteriormente polo protocolo CSMA/CA asociadas ao envío de tokens aos dispositivos dos subscritores para a súa transmisión. Agora os usuarios están unidos nun grupo e cada membro do grupo recibe a súa parte do recurso de antena do punto de acceso, en lugar de esperar a súa quenda.
Formación de feixe de radio
Unha regra importante para o funcionamento de MU-MIMO é manter un modo de funcionamento da matriz de antenas que non conduza á superposición mutua de ondas de radio e á perda de información debido á adición de fases.
Isto require cálculos matemáticos complexos no lado do punto de acceso. Se o terminal admite esta función, MU-MIMO permítelle dicir ao punto de acceso canto tempo tarda en recibir un sinal en cada antena específica. E o punto de acceso, á súa vez, axusta as súas antenas para formar un feixe dirixido de forma óptima.
Que nos aporta isto en xeral?
Os círculos brancos con números na táboa indican escenarios actuais para o uso da wifi de xeracións anteriores. Os círculos azuis (ver a ilustración anterior) describen as capacidades de Wi-Fi 6, e os grises son cuestión de futuro próximo.
Os principais beneficios que aportan as novas solucións habilitadas para OFDMA están relacionados coas unidades de recursos implementadas a un nivel similar ao TDM (Time Division Multiplexing). Este nunca foi o caso coa wifi antes. Isto permítelle controlar claramente o ancho de banda asignado, garantindo un tempo mínimo de tránsito do sinal polo medio e o nivel de fiabilidade requirido. Afortunadamente, ninguén dubida de que os indicadores de fiabilidade da Wi-Fi deben mellorar.
A historia móvese en espiral, e a situación actual é semellante á que se desenvolveu en torno a Ethernet nun tempo. Mesmo entón, estableceuse a opinión de que o medio de transmisión CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) non ofrece ningún rendemento garantido. E isto continuou ata a transición a IEEE 802.3z.
En canto aos modelos de aplicacións xerais, como podes ver, con cada xeración de Wi-Fi, os seus escenarios de uso vanse multiplicando, cada vez máis sensibles aos atrasos, e fiabilidade.
E de novo sobre o medio físico
Ben, agora imos falar de como se forma o novo ambiente físico. Ao usar CSMA/CA e OFDM, un aumento no número de STA activos levou a unha grave caída no rendemento da canle de 20 MHz. Isto debeuse ao que xa se mencionou: non as tecnoloxías máis recentes STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, mediante o uso de unidades de recursos, pode interactuar de forma eficaz con estacións de longa distancia e baixa potencia. Temos a oportunidade de traballar no mesmo rango de operadores cos usuarios que consumen diferentes cantidades de recursos. Un usuario pode ocupar unha unidade e outra - todas as demais.
Por que non había OFDMA antes?
E finalmente, a pregunta principal: por que antes non había OFDMA? Curiosamente, todo se reduciu a cartos.
Durante moito tempo creuse que o prezo dun módulo Wi-Fi debería ser mínimo. Cando o protocolo entrou en funcionamento comercial en 1997, decidiuse que o custo de produción deste módulo non podía exceder de 1 $. Como resultado, o desenvolvemento da tecnoloxía tomou un camiño subóptimo. Aquí non temos en conta o operador LTE, onde OFDMA se usa durante bastante tempo.
En definitiva, o grupo de traballo Wi-Fi decidiu sacar estes desenvolvementos do mundo das operadoras de telecomunicacións e achegalos ao mundo das redes empresariais. A tarefa principal foi a transición ao uso de elementos de maior calidade, como filtros e osciladores.
Por que foi tan difícil para nós traballar nas antigas codificacións MRC con ou sen interferencias? Porque o mecanismo de formación de feixe MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentou drasticamente o número de erros tan pronto como tentamos combinar un gran número de puntos de transmisión. OFDMA demostrou que o problema se pode resolver.
A loita contra as interferencias baséase agora nas matemáticas. Se a xanela de transmisión é suficientemente longa, a interferencia dinámica resultante causa problemas. Novos algoritmos operativos permiten evitalos, eliminando a influencia non só das interferencias asociadas á transmisión Wi-Fi, senón tamén de calquera outra que se produza neste rango.
Grazas á antiinterferencia adaptativa, podemos acadar ganancias de ata 11 dB incluso en ambientes heteroxéneos complexos. O uso das solucións algorítmicas propias de Huawei permitiu conseguir unha optimización seria exactamente onde se necesitaba: en solucións de interior. O que é bo en 5G non é necesariamente bo nun ambiente Wi-Fi 6. Os enfoques masivos MIMO e MU-MIMO difiren no caso das solucións interiores e exteriores. Cando sexa necesario, é apropiado utilizar solucións caras, como en 5G. Pero son necesarias outras opcións, como Wi-Fi 6, que pode ofrecer a latencia e outras métricas que esperamos dos operadores.
Tomamos prestadas deles as ferramentas que nos serán útiles como consumidores empresariais, todo nun esforzo por proporcionar un entorno físico no que poidamos confiar.
***
Por certo, non te esquezas dos nosos numerosos seminarios web sobre novos produtos Huawei de 2020, celebrados non só no segmento en lingua rusa, senón tamén a nivel mundial. A lista de seminarios web para as próximas semanas está dispoñible en .
Fonte: www.habr.com