Huawei se u svom razvoju oslanja na Wi-Fi 6. Pitanja kolega i kupaca o novoj generaciji standarda potaknula su nas da napišemo post o teoretskim temeljima i fizičkim principima ugrađenim u njega. Prijeđimo s povijesti na fiziku i pogledajmo u detalje zašto su potrebne OFDMA i MU-MIMO tehnologije. Razgovarajmo i o tome kako je temeljno redizajniran fizički medij za prijenos podataka omogućio postizanje zajamčenog kapaciteta kanala i toliko smanjenje ukupne razine kašnjenja da su ona postala usporediva s onima kod operatera. I to unatoč činjenici da su moderne mreže temeljene na 5G skuplje (u prosjeku 20-30 puta) od unutarnjih Wi-Fi 6 mreža sličnih mogućnosti.
Za Huawei ova tema nipošto nije prazna: rješenja koja podržavaju Wi-Fi 6 među našim su najprobojnijim proizvodima u 2020., u koje su uložena ogromna sredstva. Evo samo jednog primjera: istraživanje u području znanosti o materijalima omogućilo nam je odabir legure čija je uporaba u radijskim elementima pristupne točke povećala omjer signala i šuma za 2-3 dB: kapa dolje Doronu Ezriju za ovo postignuće.
Malo povijesti
Ima smisla računati povijest Wi-Fi-ja od 1971. godine, kada je na Sveučilištu Hawaii, profesor Norman Abramson i grupa kolega razvili, izgradili i pokrenuli ALOHAnet bežičnu mrežu za paketni prijenos podataka.
Godine 1980. odobrena je skupina standarda i protokola IEEE 802, koji opisuju organizaciju dva niža sloja sedmoslojnog OSI mrežnog modela. Morali smo čekati dugih 802.11 godina prije izlaska prve verzije 17.
Usvajanjem standarda 1997 802.11., dvije godine prije rođenja Wi-Fi Alliancea, prva generacija današnje najpopularnije bežične podatkovne tehnologije ušla je u svijet.
Standard IEEE 802. Wi-Fi generacije
Prvi standard koji su proizvođači opreme uistinu široko podržavali bio je 802.11b. Kao što vidite, učestalost inovacija prilično je stabilna od kraja XNUMX. stoljeća: za kvalitativne promjene potrebno je vrijeme. Posljednjih godina mnogo se radilo na poboljšanju medija za fizički prijenos signala. Kako bismo bolje razumjeli suvremene probleme Wi-Fi-ja, okrenimo se njegovim fizičkim temeljima.
Prisjetimo se osnova!
Radio valovi su poseban slučaj elektromagnetskih valova – šire se iz izvora smetnji električnog i magnetskog polja. Karakteriziraju ih tri glavna parametra: valni vektor, kao i vektori jakosti električnog i magnetskog polja. Sva tri su međusobno okomita. U ovom slučaju, frekvencija vala obično se naziva brojem ponavljajućih oscilacija koje se uklapaju u jedinicu vremena.
Sve su to općepoznate činjenice. No, da bismo došli do kraja, prisiljeni smo krenuti od samog početka.
Na konvencionalnoj ljestvici frekvencijskih područja elektromagnetskog zračenja, radio područje zauzima najniži (niskofrekventni) dio. Uključuje elektromagnetske valove s frekvencijom osciliranja od 3 Hz do 3000 GHz. Svi ostali pojasevi, uključujući vidljivo svjetlo, imaju mnogo višu frekvenciju.
Što je viša frekvencija, to se više energije može prenijeti na radio val, ali u isto vrijeme on se slabije savija oko prepreka i brže slabi. Vrijedi i suprotno. Uzimajući u obzir ove karakteristike, odabrana su dva glavna frekvencijska raspona za Wi-Fi rad - 2,4 GHz (frekvencijski pojas od 2,4000 do 2,4835 GHz) i 5 GHz (frekvencijski pojasevi 5,170-5,330, 5,490-5,730 i 5,735-5,835 GHz).
Radio valovi se šire u svim smjerovima, a kako bi se spriječilo da poruke međusobno utječu zbog učinka smetnji, frekvencijski pojas se obično dijeli na zasebne uske dijelove - kanale s jednim ili drugim . Gornji dijagram pokazuje da će susjedni kanali 1 i 2 s propusnošću od 20 MHz međusobno ometati, ali 1 i 6 neće.
Signal unutar kanala prenosi se pomoću radio vala na određenoj nosećoj frekvenciji. Za prijenos informacija mogu se valni parametri frekvencijom, amplitudom ili fazom.
Odvajanje kanala u Wi-Fi frekvencijskim rasponima
Frekvencijski raspon od 2,4 GHz podijeljen je na 14 kanala koji se djelomično preklapaju s optimalnom širinom od 20 MHz. Nekad se vjerovalo da je to sasvim dovoljno za organiziranje složene bežične mreže. Ubrzo je postalo jasno da se kapacitet raspona brzo iscrpljuje, pa mu je pridodan raspon od 5 GHz, čiji je spektralni kapacitet puno veći. U njemu, osim kanala od 20 MHz, moguće je dodijeliti kanale širine 40 i 80 MHz.
Kako bi se dodatno poboljšala učinkovitost korištenja radiofrekvencijskog spektra, tehnologija ortogonalnog frekvencijskog multipleksiranja sada se široko koristi ().
Uključuje korištenje, uz nosivu frekvenciju, nekoliko podnosećih frekvencija u istom kanalu, što omogućuje paralelni prijenos podataka. OFDM vam omogućuje distribuciju prometa na prilično zgodan "granularan" način, ali zbog svoje časne starosti zadržava niz značajnih nedostataka. Među njima su i principi rada pomoću CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) mrežnog protokola, prema kojem samo jedan korisnik može raditi na jednom nositelju i podnosaču u određeno vrijeme.
Prostorni tokovi
Važan način povećanja propusnosti bežične mreže je korištenje prostornih tokova.
Pristupna točka nosi nekoliko radio modula (jedan, dva ili više), koji su spojeni na određeni broj antena. Ove antene zrače prema određenom uzorku i modulaciji, a vi i ja primamo informacije koje se prenose preko bežičnog medija. Prostorni tok se može formirati između određene fizičke antene (radio modula) pristupne točke i korisničkog uređaja. Zahvaljujući tome, ukupna količina informacija koja se prenosi s pristupne točke povećava se višestruko u odnosu na broj tokova (antena).
Prema trenutnim standardima, u pojasu od 2,4 GHz mogu se implementirati do četiri prostorna toka, au pojasu od 5 GHz do osam.
Ranije, kada smo radili u pojasima od 2,4 i 5 GHz, fokusirali smo se samo na broj radio modula. Prisutnost drugog radijskog modula pružila je dodatnu fleksibilnost jer je starim pretplatničkim uređajima omogućila rad na frekvenciji od 2,4 GHz, a novima na frekvenciji od 5 GHz. Pojavom trećeg i sljedećih radijskih modula pojavili su se neki problemi. Elementi koji zrače imaju tendenciju međusobnog ometanja, što poskupljuje uređaj zbog potrebe za boljim dizajnom i opremanjem pristupne točke kompenzacijskim filtrima. Tako je tek nedavno postalo moguće istovremeno podržati 16 prostornih tokova po pristupnoj točki.
Praktična i teorijska brzina
Zbog OFDM operativnih mehanizama nismo mogli postići maksimalnu propusnost mreže. Teoretski izračuni za praktičnu implementaciju OFDM-a provedeni su davno i to samo u odnosu na idealna okruženja, gdje se očekivao prilično visok omjer signala i šuma (SNR) i stopa pogreške u bitovima (BER). U suvremenim uvjetima jake buke u svim radiofrekvencijskim spektrima koji nas zanimaju, propusnost OFDM-baziranih mreža je depresivno niska. I protokol je nastavio nositi te nedostatke sve do nedavno, sve dok OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) tehnologija nije došla u pomoć. O njoj - malo dalje.
Razgovarajmo o antenama
Kao što znate, svaka antena ima dobitak, ovisno o čijoj se vrijednosti formira prostorni uzorak širenja signala (beamforming) s određenim područjem pokrivanja (ne uzimamo u obzir rerefleksiju signala, itd.). Upravo to je ono što su dizajneri oduvijek bazirali na tome gdje bi točno trebale biti postavljene pristupne točke. Dugo vremena oblik dijagrama je ostao nepromijenjen i samo se povećavao ili smanjivao proporcionalno karakteristikama antene.
Suvremeni antenski elementi postaju sve upravljiviji i dopuštaju dinamičke promjene prostornog obrasca širenja signala u stvarnom vremenu.
Gornja lijeva slika prikazuje princip širenja radio valova pomoću standardne višesmjerne antene. Povećanjem snage signala mogli smo mijenjati samo radijus pokrivenosti bez mogućnosti značajnog utjecaja na kvalitetu korištenja kanala – KQI (Key Quality Indicators). I ovaj je pokazatelj iznimno važan pri organiziranju komunikacija u uvjetima čestog kretanja pretplatničkog uređaja u bežičnom okruženju.
Rješenje problema bilo je korištenje velikog broja malih antena, čije se opterećenje može podešavati u stvarnom vremenu, formirajući obrasce širenja ovisno o prostornom položaju korisnika.
Tako se moglo približiti korištenju MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) tehnologije. Uz njegovu pomoć, pristupna točka u bilo kojem trenutku generira tokove zračenja usmjerene posebno prema pretplatničkim uređajima.
Od fizike do standarda 802.11
Kako su se Wi-Fi standardi razvijali, mijenjali su se i principi rada s fizičkim slojem mreže. Korištenje drugih modulacijskih mehanizama omogućilo je – počevši od verzija 802.11g/n – da se u vremenski odsječak smjesti mnogo veća količina informacija i, sukladno tome, radi s većim brojem korisnika. Između ostalog, to je postignuto korištenjem prostornih tokova. A novootkrivena fleksibilnost u širini kanala omogućila je generiranje više resursa za MIMO.
Za sljedeću godinu predviđeno je odobrenje standarda Wi-Fi 7. Što će se promijeniti njegovim dolaskom? Uz uobičajeno povećanje brzine i dodavanje pojasa od 6 GHz, bit će moguće raditi sa širokim agregiranim kanalima, poput 320 MHz. Ovo je posebno zanimljivo u kontekstu industrijske primjene.
Teoretska Wi-Fi 6 propusnost
Teorijska formula za izračun nominalne brzine Wi-Fi 6 prilično je složena i ovisi o mnogim parametrima, počevši od broja prostornih tokova do informacija koje možemo staviti u podnosač (ili podnosače, ako ih ima više). njih) po jedinici vremena.
Kao što vidite, puno ovisi o prostornim tokovima. Ali prije je povećanje njihovog broja u kombinaciji s korištenjem STC (Space-Time Coding) i MRC (Maximum Ratio Combining) pogoršalo performanse bežičnog rješenja u cjelini.
Nove ključne tehnologije fizičkog sloja
Prijeđimo na ključne tehnologije fizičkog sloja – i započnimo s prvim slojem OSI mrežnog modela.
Podsjetimo se da OFDM koristi određeni broj podnosača koji, bez utjecaja jedni na druge, mogu prenijeti određenu količinu informacija.
U primjeru koristimo pojas od 5,220 GHz koji sadrži 48 podkanala. Agregiranjem ovog kanala dobivamo veći broj podnosača od kojih svaki koristi svoju modulacijsku shemu.
Wi-Fi 5 koristi kvadraturnu amplitudnu modulaciju 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), koja vam omogućuje da formirate polje od 16 x 16 točaka unutar nosive frekvencije u jednom vremenskom intervalu, koje se razlikuju po amplitudi i fazi. Nepogodnost je što u bilo kojem trenutku samo jedna postaja može emitirati na frekvenciji nosača.
Ortogonalno frekvencijsko multipleksiranje (OFDMA) došlo je iz svijeta mobilnih operatera, postalo široko rasprostranjeno istodobno s LTE-om i koristi se za organizaciju downlinka (komunikacijski kanal prema pretplatniku). Omogućuje vam rad s kanalom na razini takozvanih jedinica resursa. Ove jedinice pomažu rastaviti blok na određeni broj komponenti. Unutar bloka, u svakom trenutku ne možemo raditi striktno s jednim emitirajućim elementom (korisničkim ili pristupnom točkom), već kombinirati desetke elemenata. To vam omogućuje postizanje izvanrednih rezultata.
Jednostavno povezivanje kanala u Wi-Fi 6
Spajanje kanala u Wi-Fi 6 omogućuje dobivanje kombiniranih kanala širine od 20 do 160 MHz. Štoviše, veza se ne mora uspostaviti u obližnjim rasponima. Na primjer, jedan blok se može uzeti iz pojasa 5,17 GHz, a drugi iz pojasa 5,135 GHz. To vam omogućuje da fleksibilno izgradite radio okruženje čak iu prisutnosti jakih faktora smetnji ili u blizini drugih postaja koje stalno emitiraju.
Od SIMO do MIMO
MIMO metoda nije oduvijek s nama. Jednom davno, mobilne komunikacije morale su biti ograničene na SIMO način rada, što je podrazumijevalo prisutnost nekoliko antena na pretplatničkoj stanici, koje su istovremeno radile na primanju informacija.
MU-MIMO je dizajniran za prijenos informacija korisnicima koristeći cjelokupnu trenutnu zalihu antena. Time se uklanjaju ograničenja prethodno nametnuta CSMA/CA protokolom povezana sa slanjem tokena pretplatničkim uređajima za prijenos. Sada su korisnici ujedinjeni u grupu i svaki član grupe dobiva svoj dio resursa antene pristupne točke, umjesto da čeka svoj red.
Formiranje radio snopa
Važno pravilo za rad MU-MIMO-a je održavanje načina rada antenskog niza koji ne bi doveo do međusobnog preklapanja radiovalova i gubitka informacija zbog dodavanja faza.
To zahtijeva složene matematičke izračune na strani pristupne točke. Ako terminal podržava ovu značajku, MU-MIMO mu omogućuje da kaže pristupnoj točki koliko je vremena potrebno za prijem signala na svakoj određenoj anteni. A pristupna točka, zauzvrat, prilagođava svoje antene kako bi oblikovala optimalno usmjereni snop.
Što nam to općenito daje?
Bijeli krugovi s brojevima u tablici označavaju trenutne scenarije za korištenje Wi-Fi-ja prethodnih generacija. Plavi krugovi (vidi ilustraciju gore) opisuju mogućnosti Wi-Fi 6, a sivi su stvar bliske budućnosti.
Glavne prednosti koje donose nova rješenja omogućena za OFDMA odnose se na jedinice resursa implementirane na razini sličnoj TDM (Time Division Multiplexing). To nikad prije nije bio slučaj s Wi-Fi-jem. To vam omogućuje jasnu kontrolu dodijeljene propusnosti, osiguravajući minimalno vrijeme prolaza signala kroz medij i potrebnu razinu pouzdanosti. Srećom, nitko ne sumnja da je potrebno poboljšati pokazatelje pouzdanosti Wi-Fi mreže.
Povijest se kreće spiralno, a trenutna situacija je slična onoj koja se svojedobno razvila oko Etherneta. Već tada se ustalilo mišljenje da prijenosni medij CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ne daje nikakvu zajamčenu propusnost. I to se nastavilo sve do prelaska na IEEE 802.3z.
Što se tiče općih modela primjene, kao što vidite, sa svakom generacijom Wi-Fi-ja, scenariji njegove upotrebe se množe, sve su osjetljiviji na kašnjenja, općenito i pouzdanost.
I opet o fizičkom okruženju
Pa, sada razgovarajmo o tome kako nastaje novo fizičko okruženje. Pri korištenju CSMA/CA i OFDM, povećanje broja aktivnih STA dovelo je do ozbiljnog pada propusnosti kanala od 20 MHz. Razlog tome je ono što je već spomenuto: ne najnovije tehnologije STC (Space-Time Coding) i MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, korištenjem jedinica resursa, može učinkovito komunicirati sa stanicama na velikim udaljenostima i stanicama male snage. Dobivamo priliku raditi u istom rasponu nositelja s korisnicima koji troše različite količine resursa. Jedan korisnik može zauzeti jednu jedinicu, a drugi - sve ostale.
Zašto prije nije bilo OFDMA?
I na kraju, glavno pitanje: zašto prije nije bilo OFDMA? Začudo, sve se svelo na novac.
Dugo se vremena vjerovalo da bi cijena Wi-Fi modula trebala biti minimalna. Kada je protokol pušten u komercijalnu upotrebu 1997. godine, odlučeno je da trošak proizvodnje takvog modula ne smije premašiti 1 USD. Zbog toga je razvoj tehnologije krenuo neoptimalnim putem. Ovdje ne uzimamo u obzir operator LTE, gdje se OFDMA koristi već dosta dugo.
Naposljetku, radna skupina za Wi-Fi odlučila je preuzeti razvoj iz svijeta telekom operatera i prenijeti ga u svijet poslovnih mreža. Glavni zadatak bio je prijelaz na korištenje kvalitetnijih elemenata, poput filtara i oscilatora.
Zašto nam je bilo tako teško raditi u starim MRC kodovima sa ili bez smetnji? Budući da je mehanizam za oblikovanje snopa MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) dramatično povećao broj pogrešaka čim smo pokušali kombinirati veliki broj točaka odašiljanja. OFDMA je dokazao da se problem može riješiti.
Borba protiv smetnji sada se temelji na matematici. Ako je prozor prijenosa dovoljno dugačak, nastale dinamičke smetnje uzrokuju probleme. Novi radni algoritmi omogućuju njihovo izbjegavanje, eliminirajući utjecaj ne samo smetnji povezanih s Wi-Fi prijenosom, već i bilo kojih drugih koji se javljaju u tom rasponu.
Zahvaljujući adaptivnoj zaštiti od smetnji, možemo postići dobitke do 11 dB čak i u složenim heterogenim okruženjima. Korištenje Huaweijevih vlastitih algoritamskih rješenja omogućilo je postizanje ozbiljne optimizacije upravo tamo gdje je bila potrebna – u rješenjima za zatvorene prostore. Ono što je dobro u 5G nije nužno dobro u okruženju Wi-Fi 6. Masivni MIMO i MU-MIMO pristupi razlikuju se u slučaju unutarnjih i vanjskih rješenja. Gdje je potrebno, prikladno je koristiti skupa rješenja, kao u 5G. Ali potrebne su druge opcije, kao što je Wi-Fi 6, koji može isporučiti latenciju i druge metrike koje smo očekivali od operatera.
Od njih posuđujemo alate koji će biti korisni nama kao poslovnim potrošačima, a sve u nastojanju da osiguramo fizičko okruženje na koje se možemo osloniti.
***
Usput, ne zaboravite na naše brojne webinare o novim Huawei proizvodima 2020., koji se održavaju ne samo u segmentu ruskog jezika, već i na globalnoj razini. Popis webinara za nadolazeće tjedne dostupan je na .
Izvor: www.habr.com