A Huawei fejlesztéseiben a Wi-Fi 6-ra helyezi a hangsúlyt. A kollégák és megrendelők új generációs szabványról tett kérdései indítottak minket arra, hogy írjunk egy bejegyzést az elméleti alapokról és a benne rejlő fizikai elvekről. Történelmi áttekintés után áttérünk a fizikára, és részletesen megvizsgáljuk, miért vannak szükség OFDMA és MU-MIMO technológiákra. Beszélünk arról is, hogy a radikálisan átalakított adatátviteli fizikai környezet hogyan tett lehetővé garantált sávszélességet és olyan alacsony késleltetési szinteket, hogy azok már összehasonlíthatók az "operátorokkal". Mindez úgy, hogy a modern 5G-alapú hálózatok átlagosan 20–30-szor drágábbak, mint a Wi-Fi 6 képességeivel rendelkező belső hálózatok.
A Huawei számára ez a téma nem triviális: a Wi-Fi 6 támogatásával rendelkező megoldások között vannak 2020 legforradalmibb termékei, amelyekbe hatalmas erőforrásokat fektettünk. Íme egy példa: anyagtudományi kutatások révén sikerült olyan ötvözetet találni, amelynek felhasználása a hozzáférési pont rádióelemeiben 2–3 dB-el növelte a "jel-zaj" arányt: kalapot emelünk Doron Ezri előtt ezért az eredményért.
Egy kis történelem
A Wi-Fi történetének kezdete 1971-re tehető, amikor Norman Abramson professzor és kollégái a Hawaii Egyetemen kifejlesztették, felépítették és üzembe helyezték az ALOHAnet néven ismert vezeték nélküli csomagkapcsolt adatátviteli hálózatot.
1980-ban jóváhagyták az IEEE 802 szabványok és protokollok csoportját, amely a hét rétegű OSI hálózati modelnek az alsó két rétegét írja le. A 802.11 első verziójának megjelenésére még hosszan 17 évet kellett várni.
Az 1997-es 802.11 szabvány elfogadásával, két évvel a Wi-Fi Szövetség létrejötte előtt, a vezeték nélküli adatátvitel legnépszerűbb technológiaának első generációja belépett a nagyvilágba.
IEEE 802 szabvány. Wi-Fi generációk
Az 802.11b volt az első szabvány, amelyet valóban széles körben támogattak a berendezésgyártók. Ahogy látják, az újítások üteme a 20. század vége óta elég stabil volt: minőségi változásokhoz időre van szükség. Az utóbbi években a jelátviteli fizikai környezet javításán dolgoztunk. Annak érdekében, hogy jobban megértsük a modern Wi-Fi problémáit, térjünk vissza annak fizikai alapjaihoz.
Emlékezzünk az alapokra!
A rádióhullámok az elektromágneses hullámok egy különleges esete, amelyek elektromos és mágneses tér zavarainak forrásától terjednek. Három fő paraméter jellemzi őket: a hullámvektor, valamint az elektromos és mágneses tér feszültségvektorai. Mindhárom kölcsönösen merőleges egymásra. A hullám frekvenciáját a megismétlődő rezgések időegység alatt bekövetkező számának nevezzük.
Mindez közismert tény. Azonban ahhoz, hogy a végére érjünk, a legelső lépésnek az elején kell kezdenünk.
A rádiósugárzás frekvenciaskáláján a rádiósáv a legalacsonyabb (alacsony frekvenciájú) részt foglalja el. Az elektromágneses hullámok a 3 Hz-től 3000 GHz-ig terjedő frekvenciájú rezgéseket tartalmazzák. Minden egyéb sáv, beleértve a látható fényt, sokkal magasabb frekvenciával bír.
Minél magasabb a frekvencia, annál nagyobb energiát lehet közvetíteni a rádióhullámnak, azonban ezáltal nehezebben kanyarodik a akadályok körül és gyorsabban elhalványul. Ennek megfelelően a Wi-Fi működéséhez két fő frekvenciasávot választottak - 2,4 GHz (frekvenciasáv 2,4000 és 2,4835 GHz között) és 5 GHz (frekvenciasávok 5,170—5,330, 5,490—5,730 és 5,735—5,835 GHz között).
A rádióhullámok minden irányba terjednek, és annak érdekében, hogy az üzenetek ne befolyásolják egymást az interferencia hatására, a frekvenciasávot általában szűk szegmensekre - csatornákra bontják. . A fenti ábrán látható, hogy a szomszédos 1-es és 2-es csatornák, amelyek sávszélessége 20 MHz, zavarni fogják egymást, míg az 1-es és a 6-os nem.
A csatornán belüli jelet rádióhullámmal egy meghatározott hordozófrekvencián keresztül továbbítják. Az információ átadásához a hullám paraméterei lehetnek frekvenciában, amplitúdóban vagy fázisban.
A Wi-Fi frekvenciasávjainak csatornái közötti elkülönítés
A 2,4 GHz-es frekvenciasáv 14 részben átfedő csatornára van osztva, optimális szélességgel - 20 MHz. Valaha úgy gondolták, hogy ez elegendő a bonyolult vezeték nélküli hálózat létrehozásához. Hamarosan kiderült, hogy a sáv kapacitása gyorsan kimerül, így hozzáadták az 5 GHz-es sávot, amelynek spektrális kapacitása sokkal magasabb. Ebben a sávban a 20 megahertzes csatornák mellett 40 és 80 MHz szélességű csatornák kialakítása is lehetséges.
A frekvenciasáv hatékonyabb kihasználásának érdekében napjainkban széles körben alkalmazzák az ortogonális frekvenciamegosztásos multiplexálás ().
) technológiáját. Ez magában foglalja a hordozófrekvencia mellett több alkotófrekvencia használatát ugyanabban a csatornában, ami lehetővé teszi az adatok párhuzamos továbbítását. Az OFDM lehetőséget biztosít a forgalom elegáns, 'granulált' módon történő kezelésére, de tisztes kora miatt jelentős hátrányokat is megőrzi. Közéjük tartozik a CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) hálózati protokoll működési elve, amely szerint egy adott pillanatban csak egy felhasználó működhet egy hordozón és alkotófrekvencián.
Térbeli folyamatok
Fontos módja a vezeték nélküli hálózat átbocsátóképességének növelésének a térbeli folyamatok alkalmazása.
A hozzáférési pont több rádiómodul (egy, kettő vagy több) felett áll, amelyek bizonyos számú antennához csatlakoznak. Ezek az antenna meghatározott sémák és modullációk szerint sugároznak, és így kapjuk meg az vezeték nélküli közegen átvitt információt. A térbeli folyamat egy konkrét fizikai antennával (rádiómodullal) a hozzáférési pont és a felhasználói eszköz között alakítható ki. Ennek köszönhetően a hozzáférési ponton átadott információ mennyisége megszaporodik az átvitt folyamatok (antenna) számával.
A jelenlegi szabványok szerint a 2,4 GHz-es tartományban akár négy térbeli folyamat is megvalósítható, míg az 5 GHz-es tartományban akár nyolc.
Korábban a 2,4 és 5 GHz-es tartományokban végzett munka során csak a rádiómodulok számát vettük figyelembe. A második rádiómodul jelenléte további rugalmasságot biztosított, mivel lehetővé tette a régi felhasználói eszközök működését a 2,4 GHz-es frekvencián, míg az új eszközök a 5 GHz-es frekvencián működhettek. A harmadik és további rádiómodulok megjelenésével azonban néhány probléma merült fel. Az üzemi elemek hajlamosak zavarokat létrehozni egymásra, ami megemeli az eszköz költségeit a szükséges jobb tervezés és a hozzáférési pont kompenzáló szűrőkkel való felszerelés miatt. Így csak nemrég vált lehetővé, hogy egyszerre tartsunk fenn 16 térbeli áramlást egy hozzáférési pontra.
Gyakorlati és elméleti sebesség
Az OFDM működési mechanizmusai miatt nem tudtuk maximális hálózati átviteli sebességet elérni. Az OFDM gyakorlati alkalmazásának elméleti számításait nagyon régen végezték el, és csak ideális környezetekre vonatkoztak, ahol előreláthatóan viszonylag magas jelerősség és zaj (SNR) arányt és bit hibaarányt (BER) vártak. A modern erősen zajos frekvenciaspektrumok esetében az OFDM alapú hálózatok átvitelét az elszomorítóan alacsony mutatók jellemzik. Ráadásul a protokoll egészen nemrégig megőrizte ezeket a hátrányokat, amíg segítségül nem érkezett az OFDMA (orthogonális frekvencia-elosztású többszörös hozzáférés) technológia. Erről később bővebben.
Beszéljünk az antennákról
Ahogy tudja, minden antennának van egy nyereségtényezője, amelynek értéke alapján alakul ki a jel terjedési térbeli mintázata (beamforming) egy adott lefedettséggel (figyelmen kívül hagyva a jelek visszaverődését stb.). Éppen erre támaszkodtak mindig a tervezők érvei abból a szempontból, hogy hol is kellene elhelyezni a hozzáférési pontokat. Sokáig a minta alakja változatlan maradt, és csak arányosan növekedett vagy csökkent az antenna jellemzőivel.
A modern antennák egyre vezérelhetőbbé válnak, és lehetővé teszik, hogy dinamikusan változtassuk a jel terjedési térbeli mintázatát valós időben.
A bal oldalon, a kép tetején látható a rádiójelek terjedésének elve a szokásos omnidirekcionális antenna használatakor. A jel teljesítményének növelésével csak a lefedettségi sugár terjedelmét tudtuk változtatni, anélkül, hogy jelentősen befolyásolni tudtuk volna a csatorna használatának minőségét — KQI (Kulcsfontosságú Minőségi Mutatók). Ez a mutató rendkívül fontos a kommunikációs kapcsolatok szervezésekor, különösen a mobil eszközök gyakori mozgásának körülményei között.
A probléma megoldása egy nagy számú kisméretű antenna alkalmazása lett, amelyek terhei valós időben szabályozhatóak, így a felhasználó térbeli helyzetének megfelelően alakíthatók a terjedési minták.
Ez lehetővé tette, hogy szorosabb kapcsolatba kerüljünk a MU-MIMO (Többfelhasználós Többbemenetes, Többkimenetes) technológia alkalmazásával. Segítségével a hozzáférési pont bármikor specifikus sugárzási áramlatokat generál, amelyek pontosan a végberendezések irányába irányulnak.
A fizikától az 802.11 szabványokig
Ahogy a Wi-Fi szabványok fejlődtek, a hálózat fizikai rétegével való munka elvei is megváltoztak. Más modullálási mechanizmusok használatával — kezdve az 802.11g/n verzióktól — lehetőség nyílt arra, hogy sokkal több információt tegyünk egy időrésbe, így több felhasználóval is tudjunk dolgozni. Ezt részben a térbeli áramlatok használatával is elérték. Az újonnan szerzett flexibilitás a csatorna szélességében pedig lehetővé tette több erőforrás létrehozását a MIMO számára.
A következő évben a Wi-Fi 7 szabványának elfogadása tervben van. Milyen változásokat hoz el a megjelenése? A szokásos sebességnövekedés és a 6 GHz-es sáv hozzáadása mellett lehetőség nyílik széles aggregált csatornák, például 320 MHz-es sávok használatára. Ez különösen érdekes az ipari alkalmazások szempontjából.
A Wi-Fi 6 elméleti kapacitása
A Wi-Fi 6 nominális sebességének elméleti számítási képlete meglehetősen bonyolult, és számos paramétertól függ, kezdve a térbeli áramlatok számától a hordozóba (vagy hordozókba, ha több van) egy időegység alatt beágyazható információig.
Ahogy látja, a térbeli áramlások nagyon sok mindent meghatároznak. Pedig korábban a számuk növelése, a STC (Space-Time Coding) és az MRC (Maximum Ratio Combining) alkalmazásával rontotta a vezeték nélküli megoldás működését összességében.
Új kulcstechnológiák a fizikai szinten
Lépjünk tovább a fizikai szint kulcstechnológiáira — és kezdjük az OSI hálózati modell első szintjével.
Ne feledjük, hogy az OFDM esetében egy bizonyos számú alhordozót használnak, amelyek egymás nyugalmát nem zavarva képesek információt továbbítani.
A példában a 5,220 GHz tartományt használjuk, amely 48 alcsatornát tartalmaz. Ennek a csatornának az aggregálásával több alhordozót nyerünk, mindegyiken saját modullációs sémával.
A Wi-Fi 5 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) kvadraturális modullációt alkalmaz, amely lehetővé teszi, hogy az adott hordozófrekvencia egy időablak alatt 16 x 16 pontot képezzen, amelyek az amplitúdójukban és fázisukban különböznek. A probléma az, hogy bármely időpillanatban a hordozófrekvencián csak egy állomás végezheti a továbbítást.
Az ortogonális frekvenciaszegmensek multiplexelése (OFDMA) a mobiltelefon-üzemeltetők világából származik, és egyidejűleg terjedt el az LTE-vel, az előfizetőhöz vezető downlink (kapcsolati csatorna) megszervezésére használják. Lehetővé teszi, hogy a csatornát a úgynevezett erőforrás egységek szintjén kezeljük. Ezek az egységek segítségével egy blokkot meghatározott számú komponensre oszthatunk. A blokk keretein belül nem kell szigorúan egyetlen sugárzó elemmel (felhasználóval vagy hozzáférési ponttal) dolgoznunk, hanem tucatnyi elemet kombinálhatunk. Ez figyelemre méltó eredményekhez vezet.
Egyszerű csatornacsatlakozás a Wi-Fi 6-ban
A csatornacsatlakozás (Channel Bonding) a Wi-Fi 6-ban lehetővé teszi az 20 és 160 MHz közötti szélességű egyesített csatornák létrehozását. Ráadásul a csatornák összekapcsolása nem feltétlenül kell, hogy közeli tartományokban történjen. Például az egyik blokk a 5,17 GHz tartományból, a másik pedig az 5,135 GHz tartományból származhat. Ez lehetővé teszi a rádiós környezet rugalmas felépítését még erős zavaró tényezők vagy más folyamatosan sugárzó állomások közelsége esetén.
A SIMO-tól a MIMO-ig
A MIMO módszer nem mindig volt velünk. Egykor a mobil kommunikációra a SIMO üzemmód volt jellemző, amely több antenna használatát jelentette az előfizetői állomásnál, amelyek egyszerre működtek az információk fogadására.
A MU-MIMO célja az információk átadása a felhasználóknak a jelenlegi antennák teljes készletének kihasználásával. Ez eltávolítja a CSMA/CA protokoll által korábban támasztott korlátozásokat, amelyek az előfizetői eszközöknek a küldésre vonatkozó tokeneket érintették. Most a felhasználók csoportosulnak, és minden csoporttag megkapja az adópontra tartozó antennák erőforrását, nem várakozva a sorára.
A rádióhullám irányának kialakítása
A MU-MIMO működésének fontos szabálya, hogy fenntartson olyan antennaválasztási üzemmódot, amely nem vezet a rádióhullámok kölcsönös átfedéséhez és az információ elvesztéséhez a fázisok összeadásából adódóan.
Ez bonyolult matematikai számításokat igényel az adópontról. Ha a terminál támogatja ezt a funkciót, a MU-MIMO lehetővé teszi számára, hogy tájékoztassa az adópontról, hogy milyen késéssel kapja meg a jelet minden egyes antennáról. Az adópontek csoportja pedig optimalizálja antennáit, hogy a lehető legjobban irányított sugárzást alkosson.
Mit jelent ez számunkra összességében?
A táblázatban a fehér körökkel jelölt számok az előző generációk Wi-Fi alkalmazási forgatókönyveit mutatják. A kék körök (lásd a fenti ábrát) a Wi-Fi 6 lehetőségeit írják le, míg a szürke körök a közeli jövő eseményeit jelzik.
Az OFDMA támogatásával megvalósított új megoldások fő előnyei az erőforrások unitjeivel kapcsolatosak, amelyek hasonló szinten valósulnak meg, mint a TDM (Time Division Multiplexing). Korábban a Wi-Fi-ban nem voltak ilyenek. Ez lehetővé teszi a sávszélesség pontos ellenőrzését, biztosítva a minimális jel áthaladási időt a közegen és a szükséges megbízhatósági szintet. Szerencsére senkiben nem merül fel kétség afelől, hogy a Wi-Fi megbízhatósági mutatói javításra szorulnak.
A történelem spirálisan halad, és a jelenlegi helyzet hasonló ahhoz, ami az Ethernet körül alakult ki egykor. Akkoriban már megszületett a vélemény, hogy a CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) átviteli környezet nem biztosít semmiféle garantált áteresztőképességet. Ez folytatódott egészen az IEEE 802.3z-re való áttérésig.
Ami a használati mintákat illeti, mint látható, a Wi-Fi generációjával egyre több olyan helyzet jelenik meg, amely érzékeny a késlekedésre és az általános és a megbízhatóságra.
Újra a fizikai környezetről
Most pedig arról, hogy mi formálja az új fizikai környezetet. A CSMA/CA és az OFDM használata során az aktív állomások (Active STA) számának növekedése miatt a 20 megahertzes csatorna átvitelének sebessége jelentősen csökkent. Ennek oka az, amiről már beszéltünk: a nem túl új STC (Space-Time Coding) és MRC (Maximum Ratio Combining) technológiák.
Az OFDMA erőforrás-egységek felhasználásával hatékony kapcsolatot tud létesíteni távoli és alacsony teljesítményű állomásokkal. Lehetőség nyílik arra, hogy egy frekvenciasávon dolgozzanak olyan felhasználókkal, akik különböző mértékben használják a forrásokat. Az egyik felhasználó egy egységet foglalhat el, míg a másik az összes többit.
Miért nem létezett korábban az OFDMA?
Végül is, a legfontosabb kérdés: miért nem létezett korábban az OFDMA? Furcsa módon minden a pénzen múlott.
Hosszú ideig azt gondolták, hogy a Wi-Fi modul ára minimális legyen. Amikor 1997-ben kereskedelmi forgalomba került a protokoll, úgy döntöttek, hogy az ilyen modulok előállítási költsége nem haladhatja meg az 1 dollárt. Ennek következményeként a technológiai fejlődés nem optimális irányba haladt. Itt nem vesszük figyelembe az LTE szolgáltatót, ahol az OFDMA már régóta használatban van.
Végül a Wi-Fi munkacsoport úgy döntött, hogy átvinné ezeket a megoldásokat a távközlési világából a vállalati hálózatok világába. A fő feladat az volt, hogy áttérjenek a jobb minőségű elemek, például szűrők és oszcillátorok használatára.
Miért volt olyan nehéz az MRC régi kódolásaival dolgozni, akár interferenciával, akár anélkül? Mert a MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) sugárformáló mechanizmusa drasztikusan megnövelte a hibák számát, amint csak próbáltunk egy nagy számú adóerőpontot összekapcsolni. Az OFDMA bebizonyította, hogy a probléma megoldható.
Az interferencia leküzdése most már matematikán alapul. Ha az információátviteli ablak eléggé hosszú, akkor a fellépő dinamikus interferencia problémákhoz vezet. Az új működési algoritmusok lehetővé teszik a kikerülésüket, kizárva nemcsak a Wi-Fi átvitellel kapcsolatos interferenciát, hanem minden más, az adott tartományban fellépő interferenciát is.
Az adaptív interferenciaküzdelem révén akár 11 dB nyereséget is elérhetünk még nehezen homogén környezetben is. A Huawei saját algoritmikus megoldásainak alkalmazása komoly optimalizálást tett lehetővé, ahol a legnagyobb szükség van rá – beltéri megoldások esetén. Ami a 5G-ben jól működik, az nem feltétlenül működik jól a Wi-Fi 6 környezetében. A Massive MIMO és MU-MIMO megközelítések különböznek az indoor és outdoor megoldásoknál. Ott, ahol szükséges, helyénvaló a drága megoldások alkalmazása, mint a 5G-ben. De szükség van más lehetőségekre is, mint a Wi-Fi 6, amelyek késleltetéseket és egyéb mutatókat tudnak biztosítani, amelyeket az üzemeltetőktől megszoktunk.
Tőlük olyan eszközöket kölcsönzünk, amelyek hasznosak lesznek számunkra, mint vállalati felhasználók, mindezt azért, hogy megbízható fizikai környezetet biztosítsunk.
***
Ne feledkezzünk meg a Huawei 2020-as újdonságairól szóló számos webináriumunkról sem, amelyeket nemcsak a rusztikus szegmensben, hanem globálisan is megrendezünk. A következő hetek webináriumainak listája elérhető a .
Forrás: habr.com
