🥇Mi vár ránk a Wi-Fi 7, IEEE 802.11be esetében?

Nemrégiben megjelentek olyan eszközök, amelyek támogatják a Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) technológiát, amiről sokat beszélnek. De kevesen tudják, hogy már most is folyik az új generációs Wi-Fi technológia, a Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be) fejlesztése. Arról, hogy mit is jelent a Wi-Fi 7, ebben a cikkben olvashat.

Háttér

2020 szeptemberében ünnepelni fogjuk az IEEE 802.11 projekt 30. évfordulóját, amely jelentős hatással volt életünkre. Jelenleg a Wi-Fi technológia, amelyet az IEEE 802.11 szabványcsalád határoz meg, a legnépszerűbb vezeték nélküli technológia, amelyet internetkapcsolatra használnak: a Wi-Fi a felhasználói forgalom több mint felét továbbítja. Míg a mobiltechnológiák évtizedenként új arculatot kapnak, például a 4G nevének 5G-re való lecserélésével, a Wi-Fi esetében az adatátviteli sebesség növekedése, valamint új szolgáltatások és funkciók bevezetése szinte észrevétlenül zajlik. Csak néhány ügyfél aggódik az „n”, „ac” vagy „ax” betűk miatt, amelyek az „802.11” után szerepelnek a berendezések dobozain. De ez nem jelenti azt, hogy a Wi-Fi nem fejlődik.

A Wi-Fi fejlődésének egyik bizonyítéka a névleges adatátviteli sebességek drámai növekedése: 2 Mbit/s-ról 1997-es verzióban csaknem 10 Gbit/s-ra a legújabb 802.11ax, más néven Wi-Fi 6 szabványban. A modern Wi-Fi ezt a teljesítménynövekedést gyorsabb jelkódoló struktúráknak, szélesebb csatornáknak és technológiák használatának köszönheti. MIMO.

A nagy sebességű vezeték nélküli helyi hálózatok mellett a Wi-Fi evolúciója számos niche projektet is magában foglal. Például a Wi-Fi HaLow (802.11ah) kísérlet volt arra, hogy a Wi-Fi-t a vezeték nélküli dolgok internetének piacára terelje. A milliméteres Wi-Fi (802.11ad/ay) névleges adatátviteli sebessége akár 275 Gbit/s-ra is képes, igaz, nagyon rövid távolságokon.

Az új alkalmazások és szolgáltatások, amelyek a nagy felbontású videóstreaminggel, a virtuális és a kiterjesztett valósággal, a játékokkal, a távoli irodával és a felhőalapú számítással, valamint a nagy felhasználószámot igénylő intenzív forgalom támogatásával kapcsolatosak a vezeték nélküli hálózatokban, magas teljesítményt igényelnek.

A Wi-Fi 7 céljai

2019 májusában a BE (TGbe) alcsoport az IEEE 802.11 helyi és városi hálózatok szabványosító bizottságának munkacsoportjából megkezdte egy új Wi-Fi szabvány kiegészítése dolgozatának kidolgozását, amely növeli a nominális sávszélességet 40 Gbit/s-ra egy „tipikus” Wi-Fi frekvenciatartományban, amely <= 7 GHz. Bár sok dokumentumban szerepel, hogy a „maximális sávszélesség legalább 30 Gbit/s”, az új fizikai réteg protokollja 40 Gbit/s fölötti nominális sebességet fog biztosítani.

Egy másik fontos irányzat a Wi-Fi 7 fejlesztésében a valós idejű alkalmazások támogatása (játékok, virtuális és kiterjesztett valóság, robotok irányítása). Érdekes, hogy bár a Wi-Fi különösen az audio- és videoforgalom kezelésére szolgál, hosszú ideig úgy gondolták, hogy a szabvány szintjén a garantált alacsony késleltetés (egyes millisekundumok), más néven Time-Sensitive Networking, alapvetően lehetetlen a Wi-Fi hálózatokban. 2017 novemberében a RAN IPPI és a HSE (ne tekintsd pr-nak) csoportunk megfelelő javaslattal állt elő az IEEE 802.11 csoportban. A javaslat nagy érdeklődést váltott ki, és 2018 júliusában elindult egy külön alcsoport a téma további vizsgálatára. Mivel a valós idejű alkalmazások támogatásához mind magas nominális adatátviteli sebesség, mind a csatorna szintű funkciók bővítése szükséges, az IEEE 802.11 munkacsoport úgy döntött, hogy a Wi-Fi 7 keretein belül dolgozik a valós idejű alkalmazások támogatási módjainak fejlesztésén.

Fontos kérdés a Wi-Fi 7 kapcsán a telekommunikációs hálózatok (4G/5G) technológiáival való együttélés, amelyeket a 3GPP fejleszt, és amelyek ugyanazokban a nem licencelt frekvenciasávokban működnek. A LTE-LAA/NR-U-ról van szó. A Wi-Fi és a mobilhálózatok együttélésével kapcsolatos problémák tanulmányozására az IEEE 802.11 elindította a Coexisting Standing Committee-t (Coex SC). A 2019 júliusában Bécsben tartott 3GPP és IEEE 802.11 résztvevői közötti számos találkozó és közös szeminárium ellenére a technikai megoldásokat még nem hagyták jóvá. Az ilyen terméketlen tevékenység lehetséges magyarázata, hogy az IEEE 802 és a 3GPP sem akarja módosítani saját technológiáit, hogy azok összhangba kerüljenek a másikkal. Így jelen pillanatban nem világos, hogy a Coex SC keretein belüli tárgyalások hatással lesznek-e a Wi-Fi 7 szabványra.

A fejlesztési folyamat

Bár a Wi-Fi 7 fejlesztése még a kezdeti szakaszában van, eddig körülbelül 500 új funkció javaslatot nyújtottak be a jövőbeli Wi-Fi 7 számára, amelyet IEEE 802.11be néven is ismernek. A legtöbb ötletet még csak megvitatják a be alcsoportra, és a döntés még nem született meg róluk. Más ötleteket nemrégiben jóváhagytak. Az alábbiakban egyértelműen meg lesz határozva, hogy mely javaslatok vannak jóváhagyva, és melyek csak vitatottak.

Eredetileg azt tervezték, hogy az új mechanizmusok fejlesztése 2021 márciusára befejeződik. A végleges szabványt 2024 elejére várják. 2020 januárjában a 11be alcsoportban aggodalom merült fel azzal kapcsolatban, hogy a fejlesztés tartani tudja-e a menetrendet a jelenlegi munkatempó mellett. A szabvány fejlesztési folyamatának felgyorsítása érdekében az alcsoport egy kis, magas prioritású funkciócsomag kiválasztásáról döntött, amelyeket 2021-re (Release 1) terveztek, míg a többit a Release 2-re hagyták. A magas prioritású funkcióknak alapvető teljesítményjavulást kell nyújtaniuk, és magukban foglalják a 320 MHz támogatását, a 4K-QAM-ot, a Wi-Fi 6 OFDMA nyilvánvaló fejlesztéseit és a MU-MIMO-t 16 bitstreammel.

A koronavírus miatt a csoport jelenleg nem ülésezik személyesen, de rendszeresen tartanak távkonferenciákat. Ennek következtében a fejlesztés valamelyest lelassult, de nem állt meg.

A technológia részletei

Vizsgáljuk meg a Wi-Fi 7 fő újításait.

Az új fizikai réteg protokoll a Wi-Fi 6 protokoll fejlődése, amely megduplázza a sávszélességet 320 MHz-ra, és megduplázza a MU-MIMO térbeli áramlásainak számát,ami 2×2 = 4-szeres névleges sávszélességnövekedést eredményez. A Wi-Fi 7 emellett elkezdi használni a modulációt 4K-QAM,ami további 20%-ot ad a névleges sávszélességhez. Így a Wi-Fi 7 névleges adatátviteli sebessége 2x2x1,2 = 4,8-szorosa lesz a Wi-Fi 6-hoz képest: a Wi-Fi 7 maximális névleges sávszélessége 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Ezen kívül forradalmi változások várhatók a fizikai réteg protokolljában, amelyek a jövőbeni Wi-Fi verziókkal való kompatibilitást biztosítják, de ez felhasználók számára észrevehetetlen marad.
A csatorna hozzáférési módszer megváltoztatása a valós idejű alkalmazások támogatására A IEEE 802 TSN tapasztalatainak figyelembevételével fogják végrehajtani a vezetékes hálózatok számára. A szabványosítási bizottságban folyamatban lévő viták a csatornához való véletlenszerű hozzáférés késleltetési eljárásával, a forgalom kiszolgálásával foglalkoznak, és ennek megfelelően külön sorokkal a valós idejű forgalom számára, valamint a csomagok kezelésének politikáival.
A Wi-Fi 6 (802.11ax) bevezetése OFDMA – olyan csatorna-hozzáférési módszer, amely idő- és frekvenciaosztással működik (hasonlóan a 4G és 5G hálózatokhoz) – új lehetőségeket biztosít az erőforrások optimális elosztására. Azonban az 11ax OFDMA nem elég rugalmas. Először is, a hozzáférési pont csak egy előre meghatározott méretű erőforrás-blokkot tud rendelni az ügyfélállomás számára. Másodszor, nem támogatja az ügyfélállomások közötti közvetlen adatátvitelt. Mindkét hátrány csökkenti a spektrális hatékonyságot. Továbbá a Wi-Fi 6 OFDMA-ból örökölt rugalmasság hiánya rontja a teljesítményt sűrű hálózatokban, és növeli a késleltetést, ami kritikus a valós idejű alkalmazások számára. Az 11be megoldja ezeket az OFDMA problémákat.
A Wi-Fi 7 egyik megerősített forradalmi változása az különböző frekvenciákon való párhuzamos kapcsolatok egyidejű használatának beépített támogatása, amely rendkívül hasznos a óriási adatátviteli sebességek és rendkívül alacsony késleltetés szempontjából. Bár a modern chipek már képesek több kapcsolat egyidejű használatára, például a 2.4 és 5 GHz-es sávokban, ezek a kapcsolatok függetlenek, ami korlátozza az ilyen műveletek hatékonyságát. Az 11be meg fogja találni azt a szintű szinkronizálást a csatornák között, amely lehetővé teszi a csatorna erőforrásainak hatékony kihasználását, és lényeges változásokat eredményez a csatornához való hozzáférés protokolljának szabályaiban.
A nagyon széles csatornák és a nagy számú térbeli folyamok használata magas költségekhez vezet a csatornaállapot-értékelési eljárással kapcsolatban, amely szükséges a MIMO és OFDMA számára. Ezek a költségek semlegesítik a névleges adatátviteli sebességek növeléséből származó minden előnyt. Várhatóan a csatornaállapot-értékelési eljárást felülvizsgálják.
A Wi-Fi 7 kontextusában a szabványosító bizottságban néhány „fejlett” adatátviteli módszer használata van napirenden. Elméletileg ezek a módszerek növelik a spektrális hatékonyságot a visszavett próbálkozások esetén, valamint ugyanabban vagy ellentétes irányban a párhuzamos átvitelek során. Itt a hibrid automatikus újrakérésről (HARQ) van szó, amelyet jelenleg a mobilhálózatokban használnak, a full-duplex módról és a nem ortogonális többszörös hozzáférésről (NOMA). Ezeket a módszereket jól tanulmányozták a szakirodalomban elméletileg, azonban egyelőre nem világos, hogy a teljesítménynövekedés, amelyet biztosítanak, megtéríti-e azokat az erőfeszítéseket, amelyek a megvalósításukra irányulnak.
- Használat HARQ ami azonban a következő problémát bonyolítja. A Wi-Fi-ben a költségek csökkentése érdekében a csomagok összevonásra kerülnek. A jelenlegi Wi-Fi verziókban minden csomag kézbesítését a csomag szétszabdalása napirendre kerül, és ha nem érkezik megerősítés, a csomag átvitele az elérhető protokoll módszereivel megismétlődik. A HARQ a visszavett próbálkozásokat a csatorna szintről a fizikai szintre helyezi át, ahol már nincsenek csomagok, hanem kódolt szavak vannak, és a kódolt szavak határai nem esnek egybe a csomagok határaival. Ez a szinkronizálatlanság megnehezíti a HARQ megvalósítását a Wi-Fi-ben.
- Ami a Full-Duplex, jelenleg sem mobilhálózatokban, sem Wi-Fi hálózatokban nem lehetséges, hogy ugyanabban a frekvenciás csatornában egyszerre adatokat továbbítsanak és a hozzáférési pontra (bázisállomásra) is érkezzenek. Technikai szempontból ez a küldött és fogadott jel teljesítményének nagy különbségével függ össze. Bár léteznek prototípusok, amelyek a küldött jelszót digitálisan és analóg módon vonják le a fogadott jelből, képesek Wi-Fi jelet fogni a saját átvitelük során, a gyakorlati előny, amelyet nyújthatnak, elenyésző lehet, mivel minden egyes időpontban a lefelé irányuló forgalom nem egyenlő a felfelé irányulóval (átlagosan „a kórházban” a lefelé irány egyértelműen nagyobb). Ezenkívül egy ilyen kétirányú átadás jelentősen bonyolítja a protokollt.
- Ha MIMO használatával több adatfolyam átvitelére van szükség, akkor az adó- és vevőegységekhez több antenna szükséges, ám nem-ortogonális hozzáférés esetén a hozzáférési pont egyszerre két vevőnek is tud adatokat küldeni egyetlen antennáról. A nem-ortogonális hozzáférés különböző változatai szerepelnek az új 5G specifikációkban. Prototípus NOMA A Wi-Fi-t először 2018-ban fejlesztették ki az IPPI RAN-nál (kérjük, ne tekintsék ezt reklámnak). 30-40%-os teljesítménynövekedést mutatott. Az elkészített technológia előnye a visszafelé kompatibilitás: a két vevő közül az egyik elavult eszköz is lehet, amely nem támogatja a Wi-Fi 7-et. A visszafelé kompatibilitás problémája rendkívül fontos, mivel a Wi-Fi hálózatban egyszerre lehetnek különböző generációk készülékei. Jelenleg több csapat foglalkozik a NOMA és a MU-MIMO együttes használatának hatékonyságának elemzésével, amelyek eredményei meghatározzák a megközelítés jövőjét. Mi is folytatjuk a prototípus fejlesztését: a következő verzióját az IEEE INFOCOM konferencián mutatjuk be 2020 júliusában.
Végül, egy másik fontos újítás, de bizonytalan sorssal, az hozzáférési pontok koordinált működése. Bár sok szolgáltató saját központosított vezérlőkkel rendelkezik a vállalati Wi-Fi hálózatokhoz, ezeknek a vezérlőknek a lehetőségei jellemzően a hosszú távú paraméterek beállítására és a csatornaválasztásra korlátozódtak. A szabványosító bizottság a szomszédos hozzáférési pontok közötti szorosabb együttműködésről diskurál, amely magában foglalja a koordínált adás tervezést, beamforming-ot (irányított jeladás) és még elosztott MIMO rendszereket is. Néhány javasolt megközelítés a zavarok sorrendi elnyomásán alapul (kb. ugyanaz, mint az NOMA). Bár a 11be koordinációs megközelítései még nincsenek kidolgozva, kétségtelen, hogy a szabvány lehetővé teszi a különböző gyártók hozzáférési pontjainak az adások ütemezésének koordínálását a kölcsönös interferencia csökkentése érdekében. Ami a bonyolultabb megközelítéseket illeti (pl. elosztott MU-MIMO), azok integrálása a szabványba nehézkesebb lesz, bár a csoport egyes tagjai eltökélten dolgoznak ezen a Release 2 keretein belül. Bármilyen kimenet is szülessen, a hozzáférési pontok koordinációs módszereinek sorsa kétséges. Még ha bekerülnek is a szabványba, nem biztos, hogy a piacra kerülnek. Hasonló esetek már korábban is előfordultak, amikor a Wi-Fi adások rendbetételére próbáltak megoldásokat találni, mint például a HCCA (11e) és a HCCA TXOP Tárgyalás (11be) esetében.

Összefoglalva, úgy tűnik, hogy a legtöbb javaslat, amely az első öt csoportra vonatkozik, a Wi-Fi 7 részévé válik, míg a két utolsó csoport javaslatai jelentős további kutatásokat igényelnek a hatékonyságuk bizonyításához.