U svojim razvojnim projektima Huawei se usredotočuje na Wi-Fi 6. Pitanja kolega i klijenata o novoj generaciji standarda potaknula su nas da napišemo post o teorijskim osnovama i fizičkim principima koji su u njega ugrađeni. Od povijesti prelazimo na fiziku, detaljno ćemo istražiti zašto su tehnologije OFDMA i MU-MIMO potrebne. Razgovarat ćemo i o tome kako je principijalno preuređena fizička sredina prijenosa podataka omogućila postizanje zajamčene propusnosti kanala i toliko smanjenje ukupnog nivoa latencije da su postali usporedivi s
Za Huawei, tema nije nimalo trivijalna: rješenja s podrškom za Wi-Fi 6 među su najinovativnijim našim proizvodima iz 2020. godine, u koje su uloženi ogromni resursi. Evo samo jednog primjera: istraživanja u području materijala omogućila su nam da odaberemo leguru čija je upotreba u radioelementima pristupnih točaka povećala omjer 'signal - šum' za 2–3 dB: skidamo šešir u čast Doronu Ezri (Doron Ezri) za ovo postignuće.
Malo povijesti
Povijest Wi-Fi-a ima smisla početi od 1971. godine, kada je na Sveučilištu Hawaii profesor Norman Abramson s grupom kolega razvio, izgradio i pokrenuo bežičnu mrežu paketne prenose podataka ALOHAnet.
Godine 1980. usvojena je skupina standarda i protokola IEEE 802, koja opisuje organizaciju dva donja sloja sedmojerske mrežne modela OSI. Do izdanja prve verzije 802.11 trebalo je čekati dugih 17 godina.
Usvajanjem 1997. godine standarda 802.11, dva godine prije pojave organizacije Wi-Fi Alliance, prva generacija danas najpopularnije tehnologije bežičnog prijenosa podataka zakoračila je u veliki svijet.
Standard IEEE 802. Generacije Wi-Fi
Prvi standard koji su masovno podržavali proizvođači opreme bio je 802.11b. Kao što vidite, učestalost inovacija od kraja 20. stoljeća bila je prilično stabilna: za kvalitetne promjene potrebno je vrijeme. Posljednjih godina glavni rad odvijao se na poboljšanju fizičke sredine prijenosa signala. Da bismo bolje razumjeli suvremenu problematiku Wi-Fi, obratimo se njegovim fizičkim osnovama.
Podsjetimo se osnova!
Radio valovi su posebni slučajevi elektromagnetnih valova — koji se šire od izvora uznemirenja električnog i magnetskog polja. Karakteriziraju ih tri osnovna parametra: valni vektor, te vektori intenziteta električnog i magnetskog polja. Sva tri su međusobno okomite.
Sve su to općepoznate činjenice. Međutim, da bismo došli do kraja, moramo započeti od samog početka.
Na uvjetnoj ljestvici frekvencijskih raspona elektromagnetnog zračenja, radio spektar zauzima najniži (niskofrekventni) dio. U njega spadaju elektromagnetni valovi s frekvencijom oscilacija od 3 Hz do 3000 GHz. Svi ostali rasponi, uključujući vidljivu svjetlost, imaju mnogo viših frekvencija.
Što je frekvencija viša, to se veću energiju može prenijeti radio valu, ali s druge strane lošije zaobilazi prepreke i brže se prigušuje. I obrnuto. Uzimajući u obzir ove osobine, za rad Wi-Fi odabrana su dva osnovna frekvencijska raspona — 2,4 GHz (pojas frekvencija od 2,4000 do 2,4835 GHz) i 5 GHz (pojasovi frekvencija 5,170—5,330, 5,490—5,730 i 5,735—5,835 GHz).
Radio valovi se šire u svim smjerovima, a kako bi poruke međusobno ne utjecale jedna na drugu zbog učinka interferencije, frekvencijski pojas se obično dijeli na odvojene uske segmente — kanale s određenom . Na gornjem dijagramu se može vidjeti da će susjedni kanali 1 i 2 s propusnošću od 20 MHz ometati jedni druge, dok 1 i 6 — neće.
Signal unutar kanala se prenosi pomoću radio vala na određenoj nosivoj frekvenciji. Za prenos informacija, parametri vala mogu po frekvenciji, amplitudi ili fazi.
Razdvajanje kanala u frekvencijskim rasponima Wi-Fi
Frekvencijski raspon 2,4 GHz podijeljen je na 14 djelomično preklapajućih kanala optimalne širine — 20 MHz. Nekada se smatralo da je to sasvim dovoljno za organizaciju složene bežične mreže. Ubrzo je otkriveno da se kapacitet raspona brzo iscrpljuje, pa je dodan raspon 5 GHz, čija je spektralna kapacitet mnogo veća. U njemu, osim 20-megahercnih, moguće je izdvojiti kanale širine 40 i 80 MHz.
Za dodatno povećanje efikasnosti korištenja radiofrekvencijskog spektra, trenutno se široko primjenjuje tehnologija multipleksiranja s ortogonalnim razdvajanjem frekvencija ().
To podrazumijeva korištenje, uz nosivu frekvenciju, i nekoliko podnosivih frekvencija u istom kanalu, što omogućava paralelni prijenos podataka. OFDM omogućava raspodjelu prometa u vrlo praktičnom 'granularnom' načinu, ali zbog svog dugogodišnjeg postojanja zadržava niz značajnih nedostataka. Među njima su principi rada prema mrežnom protokolu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), prema kojima u određenim trenucima na jednoj nosivoj i podnosivoj može raditi samo jedan korisnik.
Prostorni tokovi
Važan način za povećanje propusnosti bežične mreže je korištenje prostornih tokova.
Pristupna točka nosi nekoliko radio-modula (jedan, dva ili više) koji su povezani s određenim brojem antena. Te antene emitiraju prema određenoj shemi i modulaciji, a mi dobijamo informacije prenesene bežičnim putem. Prostorni tok može se formirati između određene fizičke antene (radio-modula) pristupne točke i korisničkog uređaja. Zbog toga se ukupna količina informacija koje se prenose s pristupne točke povećava nekoliko puta u odnosu na broj tokova (antenna).
Prema trenutnim standardima, u opsegu od 2,4 GHz može se realizirati do četiri prostorna toka, dok u opsegu od 5 GHz — do osam.
Prije smo se prilikom rada u opsezima od 2,4 i 5 GHz orijentirali samo na broj radio modula. Prisutnost drugog radio modula pružala je dodatnu fleksibilnost jer je omogućila starim korisničkim uređajima da funkcioniraju na frekvenciji od 2,4 GHz, dok su novi radili na frekvenciji od 5 GHz. Pojavom trećeg i daljnjih radio modula nastali su određeni problemi. Emitirajući elementi skloni su stvaranju smetnji jedni s drugima, što povećava troškove uređaja zbog potrebe za kvalitetnijim dizajnom i opremanjem pristupne točke kompenzacijskim filtrima. Tako je tek nedavno postalo moguće istovremeno podržati 16 prostorni flukova na jednu pristupnu točku.
Praktična i teoretska brzina
Zbog mehanizama rada OFDM nismo mogli ostvariti maksimalni propusnost mreže. Teorijska izračunavanja za praktičnu primjenu OFDM provedena su davno i to samo primjenjivo na idealna okruženja, gdje su se predviđali dovoljno visoki pokazatelji odnosa «signal - šum» (SNR) i vjerojatnost pogreške po bitu (BER). U suvremenim uvjetima jake smetnje svih relevantnih radiofrekvencijskih spektra, pokazatelji propusnosti mreža temeljenih na OFDM su frustrirajuće mali. I protokol je do nedavno nastavio nositi te nedostatke, sve dok nije stigla tehnologija OFDMA (ortogonalni pristup višestrukim frekvencijama). O njoj - nešto kasnije.
Razgovarajmo o antenama
Kao što znate, svaka antena ima svoj koeficijent pojačanja, na osnovu kojeg se formira prostorni uzorak širenja signala (beamforming) s određenim područjem pokrivenosti (ne uzimamo u obzir refleksiju signala itd.). Na to su se uvijek oslanjali razmatranja projektanata o tome gdje bi trebale biti postavljene pristupne točke. Dugo je vremena oblik uzorka ostajao nepromijenjen i samo se proporcionalno povećavao ili smanjivao prema karakteristikama antene.
Moderni antenni elementi postaju sve upravljiviji i omogućuju dinamičku promjenu prostornog uzorka širenja signala u stvarnom vremenu.
S lijeve strane priloženog crteža prikazan je princip širenja radio valova pri korištenju standardne omnidirekcijske antene. Povećanjem snage signala mogli smo mijenjati samo radijus pokrivenosti bez mogućnosti značajnijeg utjecaja na kvalitetu korištenja kanala — KQI (Ključni indikatori kvalitete). Ovaj pokazatelj je izuzetno važan pri organizaciji veze u uvjetima čestih premještanja korisničkog uređaja u bežičnom okruženju.
Rješenje problema postalo je korištenje velikog broja malih antena, čije se opterećenje može regulirati u realnom vremenu, oblikujući obrasce širenja ovisno o prostornom položaju korisnika.
Na taj način smo uspjeli prići primjeni tehnologije MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Njome pristupna točka u bilo kojem trenutku formira tokove zračenja usmjerene baš prema korisničkim uređajima.
Od fizike do standarda 802.11
Kako su se standardi Wi-Fi razvijali, mijenjali su se principi rada s fizičkim slojem mreže. Korištenje drugih modulatacijskih mehanizama omogućilo je — počevši od verzija 802.11g/n — da se u vremenski slot smjesti mnogo više informacija i, sukladno tome, raditi s većim brojem korisnika. Pored toga, to je postignuto i zahvaljujući korištenju prostornog toka. A novo stečena fleksibilnost u pogledu širine kanala omogućila je formiranje većeg broja resursa za MIMO.
Sljedeće godine očekuje se usvajanje standarda Wi-Fi 7. Što će se promijeniti s njegovim dolaskom? Pored uobičajenog porasta brzine i dodavanja spektralnog opsega od 6 GHz, pojavit će se mogućnost rada s širokim agregiranim kanalima, poput 320 MHz. Ovo je posebno zanimljivo u kontekstu industrijske primjene.
Teorijska propusnost Wi-Fi 6
Teorijska formula za izračun nominalne brzine rada Wi-Fi 6 dovoljno je složena i ovisi o mnogim parametrima, počevši od broja prostornih tokova do informacija koje možemo unijeti u podnositelj (ili podnositelje, ako ih ima više) u jedinici vremena.
Kao što vidite, mnogo toga ovisi o prostornim tokovima. I prije nego što je povećanje njihovog broja u kombinaciji s korištenjem STC (kodiranje prostora-vremena) i MRC (maksimalno omjer kombinacija) pogoršalo rad bežičnog rješenja u cjelini.
Nove ključne tehnologije fizičkog nivoa
Prelazimo na ključne tehnologije fizičkog nivoa — i započinjemo s prvim nivoom OSI mrežnog modela.
Podsjetimo se da se u OFDM koristi određeni broj podnositelja koji, ne dotičući se jedan drugoga, mogu prenositi određenu količinu informacija.
U primjeru koristimo pojas od 5,220 GHz, koji sadrži 48 podkanala. Agregiranjem ovog kanala dobit ćemo veći broj podnositelja, od kojih svaki ima svoju shemu modulacije.
U Wi-Fi 5 koristi se kvadratura modulacija 256 QAM (kvadratura amplitudne modulacije), koja omogućava formiranje u okviru nosne frekvencije u jednom vremenskom prozoru polja 16 x 16 točaka, koje se razlikuju po amplitudi i fazi. Neugodnost leži u tome što u svaki pojedinačni trenutak na nosnoj frekvenciji može prenositi samo jedna stanica.
M multiplexiranje s ortogonalnim frekvencijskim dijeljenjem kanala (OFDMA) došlo je iz svijeta mobilnih operatera, postalo je popularno istovremeno s LTE-om i koristi se za organizaciju downlinka (kanala komunikacije prema korisniku). Omogućava rad s kanalom na nivou tzv. resursnih jedinica. Ove jedinice pomažu u razdvajanju bloka u određeni broj komponenti. Unutar bloka možemo u svakom trenutku ne raditi striktno s jednim emitirajućim elementom (korisnikom ili pristupnom točkom), već kombinirati desetke elemenata. To omogućava postizanje zavidnih rezultata.
Jednostavno spajanje kanala u Wi-Fi 6
Spajanje kanala (Channel Bonding) u Wi-Fi 6 omogućuje dobivanje kombiniranih kanala širine od 20 do 160 MHz. Takođe, spajanje ne mora biti u neposrednim opsezima. Na primjer, jedan blok može se uzeti iz opsega 5,17 GHz, a drugi iz opsega 5,135 GHz. To omogućava fleksibilno građanje radiokoličine čak i u prisutnosti jakih ometajućih faktora ili kada se nalaze pored drugih neprekidno emitirajućih stanica.
Od SIMO do MIMO
MIMO metoda nije uvijek bila s nama. Nekada je mobilna povezanost bila ograničena na SIMO režim, što je podrazumijevalo da korisnička stanica ima više antena koje istovremeno rade na primanju informacija.
MU-MIMO je osmišljen za prijenos informacija korisnicima, koristeći cijeli trenutni fond antena. To uklanja prethodna ograničenja nametnuta protokolom CSMA/CA, koja su bila povezana s slanjem tokena korisničkim uređajima za prijenos. Sada se korisnici grupiraju, a svaki član grupe dobiva svoj dio resursa fonda antena pristupne točke, umjesto da čeka na svoj red.
Formiranje radijskog snopa
Važno pravilo rada MU-MIMO je održavanje takvog režima rada fonda antena koji ne dovodi do međusobnog preklapanja radijskih valova i gubitka informacija zbog faznog zbrajanja.
To zahtijeva složene matematičke proračune na strani pristupne točke. Ako terminal podržava ovu funkciju, MU-MIMO mu omogućava da informira pristupnu točku o vremenskoj kašnjenju s kojim prima signal na svakoj pojedinoj anteni. Pristupna točka, s druge strane, prilagođava svoje antene kako bi formirala optimalno usmjeren snop.
Što nam to u cjelini donosi?
Bijelim krugovima s brojevima u tablici označeni su trenutni scenariji primjene Wi-Fi prethodnih generacija. Plavi krugovi (vidi sliku iznad) opisuju mogućnosti Wi-Fi 6, dok sivi predstavljaju izazove bliske budućnosti.
Glavne prednosti koje donose nova rješenja s podrškom za OFDMA povezane su s resursnim jedinicama implementiranim na razini koja odgovara TDM-u (multiplexiranje po vremenskim odjeljcima). To ranije nije bilo moguće u Wi-Fi-u. To omogućava jasno kontroliranje dodijeljene propusnosti, osiguravajući minimalno vrijeme prolaska signala kroz medij i potrebnu razinu pouzdanosti. Srećom, nitko ne sumnja da su pokazatelji pouzdanosti Wi-Fi-a potrebni za poboljšanje.
Povijest ide u spirali, a trenutna situacija podsjeća na onu koja je nekada postojala oko Ethereeta. Već tada je postojalo uvjerenje da prenosno okruženje CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ne osigurava nikakvu garantovanu propusnost. I tako je trajalo sve do prijelaza na IEEE 802.3z.
Što se tiče općeg modela primjene, kao što vidite, s svakom generacijom Wi-Fi-a povećavaju se scenariji njegove upotrebe, sve više osjetljivi na kašnjenje, ukupni i pouzdanost.
Ponovno o fizičkom okruženju
Sada ćemo razgovarati o tome na temelju čega se formira novo fizičko okruženje. Korištenjem CSMA/CA i OFDM-a, rast broja aktivnih točaka (Active STA) dovodi do ozbiljnog smanjenja propusnosti 20-megahercnog kanala. To je povezano s onim što je već spomenuto: s ne tako novim tehnologijama STC (Space-Time Coding) i MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, koristeći resursne jedinice, može učinkovito komunicirati s udaljenim i slabim stanicama. Ta opcija nam omogućuje rad u istom nosivom spektru s korisnicima koji troše različite količine resursa. Jedan korisnik može koristiti jednu jedinicu, dok drugi može koristiti sve ostale.
Zašto OFDMA nije bilo ranije?
I konačno, glavno pitanje: zašto OFDMA nije bilo ranije? Što je iznenađujuće, sve se svodilo na novac.
Dugo se vremena smatralo da cijena Wi-Fi modula mora biti minimalna. Kada je protokol uveden u komercijalnu upotrebu 1997. godine, odlučeno je da troškovi proizvodnje takvog modula ne smiju prelaziti 1 USD. Kao posljedica, razvoj tehnologije krenuo je suboptimalnim putem. Ovdje ne uzimamo u obzir operatora LTE, gdje se OFDMA već dovoljno dugo koristi.
Na kraju je radna skupina za Wi-Fi odlučila prenijeti ta znanja iz svijeta telekomunikacijskih operatora u korporativne mreže. Glavni cilj postao je prijelaz na korištenje kvalitetnijih elemenata, poput filtara i oscillatora.
Zašto nam je bilo tako teško raditi sa starim MRC kodiranjem, bilo s interferencijom ili bez nje? Jer mehanizam oblikovanja zraka MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) drastično je povećavao broj grešaka čim smo pokušali spojiti veliki broj odašiljačkih točaka. OFDMA je pokazao da je problem rješiv.
Borbom s interferencijom sada se temelji na matematici. Ako je prozor za prijenos informacija dovoljno dug, dinamička interferencija može uzrokovati probleme. Novi algoritmi rada omogućuju izbjegavanje tih problema, isključujući utjecaj ne samo na interferenciju povezanu s prijenosom Wi-Fi, već i bilo koju drugu koja se javlja u tom rasponu.
Zahvaljujući adaptivnoj borbi protiv interferencije, možemo postići dobitak do 11 dB čak i u složenim heterogenim okruženjima. Korištenje vlastitih algoritamskih rješenja Huawei omogućilo je ozbiljnu optimizaciju upravo tamo gdje je najpotrebnije – u indoor rješenjima. Ono što je dobro u 5G ne mora nužno biti dobro u okruženju Wi-Fi 6. Pristupi Massive MIMO i MU-MIMO razlikuju se u slučaju indoor i outdoor rješenja. Tamo gdje je potrebno, prikladno je koristiti skupa rješenja poput onih u 5G. No, potrebne su i druge opcije, kao što je Wi-Fi 6, koje mogu osigurati latencije i druge metrike na koje smo navikli od telekomunikacijskih operatera.
Posuđujemo od njih alate koji će nam biti korisni kao korporativnim potrošačima, a sve to s ciljem osiguravanja fizičkog okruženja na koje se može osloniti.
***
Usput, ne zaboravite na naše brojne webinare o novitetima Huawei iz 2020. godine, koji se održavaju ne samo u ruskom segmentu, već i na globalnoj razini. Popis webinara za naredne tjedne dostupan je na .
Izvor: habr.com
