Fejlesztései során a Huawei a Wi-Fi 6-ra támaszkodik. A szabvány új generációjával kapcsolatos kollégák és vásárlók kérdései pedig arra késztettek, hogy írjunk egy bejegyzést a benne foglalt elméleti alapokról és fizikai elvekről. Térjünk át a történelemről a fizikára, és nézzük meg részletesen, miért van szükség az OFDMA és a MU-MIMO technológiákra. Beszéljünk arról is, hogy egy alapjaiban újratervezett fizikai adatátviteli közeg hogyan tette lehetővé a garantált csatornakapacitás elérését és a késések összességében olyan mértékű csökkentését, hogy azok összemérhetővé váltak egy operátorival. És mindez annak ellenére, hogy a modern 5G-alapú hálózatok drágábbak (átlagosan 20-30-szor), mint a hasonló képességű beltéri Wi-Fi 6 hálózatok.
A Huawei számára a téma korántsem tétlen: a Wi-Fi 6-ot támogató megoldások 2020-ban a legáttörőbb termékeink közé tartoznak, amelyekbe óriási erőforrásokat fektettek. Csak egy példa: az anyagtudományi kutatások lehetővé tették számunkra, hogy olyan ötvözetet válasszunk ki, amelynek használata egy hozzáférési pont rádióelemeiben 2-3 dB-lel növelte a jel-zaj arányt: le a kalappal Doron Ezri ezt az eredményt.
Egy kis történelem
A Wi-Fi történetét érdemes 1971-ig visszaszámolni, amikor is a Hawaii Egyetemen Norman Abramson professzor és egy csoport munkatársa kifejlesztette, megépítette és elindította az ALOHAnet vezeték nélküli csomagkapcsolt adatátviteli hálózatot.
1980-ban jóváhagyták az IEEE 802 szabványok és protokollok egy csoportját, amely leírja a hétrétegű OSI hálózati modell két alsó rétegének felépítését. 802.11 hosszú évet kellett várnunk a 17 első verziójának megjelenéséig.
A 1997 szabvány elfogadásával 802.11-ben, két évvel a Wi-Fi Alliance születése előtt, napjaink legnépszerűbb vezeték nélküli adattechnológiájának első generációja belépett a nagyvilágba.
IEEE 802 szabvány. Wi-Fi generációk
Az első szabvány, amelyet a berendezésgyártók valóban széles körben támogattak, a 802.11b volt. Mint látható, az innovációk gyakorisága a XNUMX. század végétől meglehetősen stabil: a minőségi változásokhoz idő kell. Az elmúlt években sok munkát végeztek a fizikai jelátviteli közeg fejlesztésén. A Wi-Fi modern problémáinak jobb megértése érdekében térjünk át a fizikai alapokra.
Emlékezzünk az alapokra!
A rádióhullámok az elektromágneses hullámok speciális esetei - elektromos és mágneses tér zavaró forrásból terjednek. Három fő paraméter jellemzi őket: a hullámvektor, valamint az elektromos és mágneses térerősség-vektor. Mindhárom egymásra merőleges. Ebben az esetben egy hullám frekvenciáját általában az időegységbe illeszkedő ismétlődő rezgések számának nevezik.
Mindezek jól ismert tények. Ahhoz azonban, hogy a végére érjünk, kénytelenek vagyunk a legelejéről kezdeni.
Az elektromágneses sugárzás frekvenciatartományainak hagyományos skáláján a rádiótartomány foglalja el a legalacsonyabb (alacsony frekvenciájú) részt. 3 Hz és 3000 GHz közötti oszcillációs frekvenciájú elektromágneses hullámokat tartalmaz. Az összes többi sáv, beleértve a látható fényt is, sokkal magasabb frekvenciájú.
Minél magasabb a frekvencia, annál több energiát tud átadni a rádióhullámnak, ugyanakkor az akadályokat kevésbé hajlik meg, és gyorsabban csillapodik. Ennek az ellenkezője is igaz. Ezeket a jellemzőket figyelembe véve két fő frekvenciatartományt választottak ki a Wi-Fi működéshez - 2,4 GHz (2,4000 és 2,4835 GHz közötti frekvenciasáv) és 5 GHz (5,170-5,330, 5,490-5,730 és 5,735 GHz-es frekvenciasáv).
A rádióhullámok minden irányban terjednek, és annak érdekében, hogy az üzenetek ne befolyásolják egymást az interferenciahatás miatt, a frekvenciasávot általában külön szűk szakaszokra osztják - csatornákra, amelyekben egy vagy másik . A fenti diagram azt mutatja, hogy a szomszédos, 1 MHz-es sávszélességű 2. és 20. csatorna zavarja egymást, az 1. és 6. csatorna viszont nem.
A csatornán belüli jelet rádióhullámok segítségével továbbítják egy bizonyos vivőfrekvencián. Információ továbbítására hullámparaméterek lehetnek frekvencia, amplitúdó vagy fázis szerint.
Csatornaszétválasztás a Wi-Fi frekvenciatartományokban
A 2,4 GHz-es frekvenciatartomány 14, részben átfedő csatornára oszlik, optimális szélességük 20 MHz. Egyszer azt hitték, hogy ez elég egy összetett vezeték nélküli hálózat megszervezéséhez. Hamar kiderült, hogy a tartomány kapacitása rohamosan kimerül, így rákerült az 5 GHz-es tartomány, aminek a spektrális kapacitása jóval nagyobb. Ebben a 20 MHz-es csatornákon kívül lehetőség van 40 és 80 MHz szélességű csatornák kiosztására.
A rádiófrekvenciás spektrum használatának hatékonyságának további javítása érdekében ma már széles körben alkalmazzák az ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelési technológiát ().
Ez azt jelenti, hogy a vivőfrekvenciával együtt több alvivő frekvenciát használnak ugyanabban a csatornában, ami lehetővé teszi a párhuzamos adatátvitelt. Az OFDM lehetővé teszi a forgalom meglehetősen kényelmes „granulált” elosztását, de tiszteletreméltó kora miatt számos jelentős hátránya megmarad. Ezek közé tartozik a CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) hálózati protokoll használatának alapelvei, amelyek szerint bizonyos időpontokban csak egy felhasználó dolgozhat egy vivőn és egy alvivőn.
Térbeli áramlások
A vezeték nélküli hálózat átviteli sebességének növelésének egyik fontos módja a térbeli adatfolyamok használata.
A hozzáférési pont több rádiómodult (egyet, kettőt vagy többet) hordoz, amelyek bizonyos számú antennához csatlakoznak. Ezek az antennák egy bizonyos minta és moduláció szerint sugároznak, és Ön és én vezeték nélküli médián keresztül továbbított információkat kapunk. A térbeli adatfolyam a hozzáférési pont egy meghatározott fizikai antennája (rádiómodulja) és a felhasználói eszköz között alakítható ki. Ennek köszönhetően a hozzáférési ponttól továbbított információ teljes mennyisége a folyamok (antennák) számának többszörösével nő.
A jelenlegi szabványok szerint a 2,4 GHz-es sávban legfeljebb négy, az 5 GHz-es sávban pedig nyolc térbeli adatfolyam valósítható meg.
Korábban, amikor a 2,4 és 5 GHz-es sávban dolgoztunk, csak a rádiómodulok számára koncentráltunk. A második rádiómodul jelenléte további rugalmasságot biztosított, mivel a régi előfizetői eszközök 2,4 GHz-es, az újak pedig 5 GHz-es frekvencián működtek. A harmadik és az azt követő rádiómodulok megjelenésével problémák merültek fel. A sugárzó elemek általában interferálnak egymással, ami a jobb tervezés és a hozzáférési pont kompenzációs szűrőkkel való felszerelése miatt megnöveli az eszköz költségét. Így csak mostanában vált lehetővé hozzáférési pontonként 16 térbeli adatfolyam egyidejű támogatása.
Gyakorlati és elméleti sebesség
Az OFDM működési mechanizmusai miatt nem tudtunk maximális hálózati átvitelt elérni. Az OFDM gyakorlati megvalósítására vonatkozó elméleti számításokat nagyon régen végezték, és csak olyan ideális környezetekre vonatkoztatva, ahol előre láthatóan meglehetősen magas jel-zaj viszony (SNR) és bithibaarány (BER) várható. A modern körülmények között, ahol minden minket érdeklő rádiófrekvenciás spektrumban erős zaj van, az OFDM-alapú hálózatok áteresztőképessége lehangolóan alacsony. És a protokoll továbbra is hordozta ezeket a hiányosságokat egészen a közelmúltig, egészen addig, amíg az OFDMA (ortogonális frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés) technológia megmentette. Róla - egy kicsit tovább.
Beszéljünk az antennákról
Tudniillik minden antennának van egy erősítése, melynek értékétől függően a jelterjedés (nyalábformálás) térbeli mintázata alakul ki egy bizonyos lefedettségi területtel (nem vesszük figyelembe a jelvisszaverődést stb.). A tervezők mindig is pontosan erre alapozták az érvelésüket, hogy pontosan hol kell elhelyezni a hozzáférési pontokat. A minta alakja sokáig változatlan maradt, és az antenna jellemzőivel arányosan csak nőtt vagy csökkent.
A modern antennaelemek egyre jobban vezérelhetőek, és valós időben teszik lehetővé a jelterjedés térbeli mintázatának dinamikus megváltoztatását.
A fenti bal oldali ábra a rádióhullámok terjedésének elvét mutatja szabványos körsugárzó antenna használatával. A jelteljesítmény növelésével csak a lefedettségi sugarat tudtuk megváltoztatni anélkül, hogy jelentősen befolyásolhatnánk a csatornahasználat minőségét - KQI (Key Quality Indicators). És ez a mutató rendkívül fontos, amikor a kommunikációt olyan körülmények között szervezik, amikor az előfizetői eszköz vezeték nélküli környezetben gyakran mozog.
A probléma megoldását a nagyszámú kisméretű antenna alkalmazása jelentette, amelyek terhelése valós időben szabályozható, terjedési mintákat képezve a felhasználó térbeli helyzetétől függően.
Így közel kerülhetett a MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) technológia használatához. Segítségével a hozzáférési pont bármikor kifejezetten az előfizetői eszközök felé irányított sugárzási áramlásokat generál.
A fizikától a 802.11 szabványig
A Wi-Fi szabványok fejlődésével a hálózat fizikai rétegével való munka elvei megváltoztak. Más modulációs mechanizmusok alkalmazása lehetővé tette - a 802.11g/n verzióktól kezdve - sokkal nagyobb mennyiségű információ illesztését egy időrésbe, és ennek megfelelően nagyobb számú felhasználóval való munkavégzést. Ezt többek között térbeli áramlások alkalmazásával sikerült elérni. A csatornaszélesség tekintetében újonnan felfedezett rugalmasság pedig lehetővé tette több erőforrás előállítását a MIMO számára.
A Wi-Fi 7 szabvány jóváhagyását jövőre tervezik, mi változik az érkezésével? A szokásos sebességnövekedés és a 6 GHz-es sáv kiegészítése mellett széles, összesített csatornákkal is lehet majd dolgozni, például 320 MHz-en. Ez különösen az ipari alkalmazások kapcsán érdekes.
Elméleti Wi-Fi 6 átviteli sebesség
A Wi-Fi 6 névleges sebességének kiszámításának elméleti képlete meglehetősen bonyolult, és számos paramétertől függ, kezdve a térbeli adatfolyamok számától és azokkal az információkkal zárva, amelyeket egy alvivőbe (vagy alvivőbe, ha több van) bevinni. őket) időegységenként.
Amint látja, sok múlik a térbeli áramlásokon. Korábban azonban számuk növekedése az STC (Space-Time Coding) és az MRC (Maximum Ratio Combining) használatával együtt rontotta a vezeték nélküli megoldás egészének teljesítményét.
Új kulcsfontosságú fizikai rétegtechnológiák
Térjünk át a fizikai réteg kulcsfontosságú technológiáira – és kezdjük az OSI hálózati modell első rétegével.
Emlékezzünk vissza, hogy az OFDM bizonyos számú alvivőt használ, amelyek anélkül, hogy egymást befolyásolnák, bizonyos mennyiségű információ továbbítására képesek.
A példában az 5,220 GHz-es sávot használjuk, amely 48 alcsatornát tartalmaz. Ezt a csatornát aggregálva nagyobb számú alvivőt kapunk, amelyek mindegyike saját modulációs sémát használ.
A Wi-Fi 5 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) kvadratúra amplitúdó modulációt használ, amely lehetővé teszi, hogy egy időrésben 16 x 16 pontból álló mezőt alakítsunk ki a vivőfrekvencián belül, amplitúdójukban és fázisaiban eltérően. A kellemetlenség az, hogy egy adott pillanatban csak egy állomás tud a vivőfrekvencián adni.
Az ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés (OFDMA) a mobilszolgáltatók világából jött, az LTE-vel egyidejűleg terjedt el, és egy downlink (kommunikációs csatorna az előfizető felé) szervezésére szolgál. Lehetővé teszi, hogy a csatornával az úgynevezett erőforrás egységek szintjén dolgozzon. Ezek az egységek segítenek egy blokkot meghatározott számú részre bontani. Egy blokkon belül minden pillanatban nem dolgozhatunk szigorúan egy kibocsátó elemmel (felhasználói vagy hozzáférési ponttal), hanem több tucat elemet kombinálhatunk. Ez lehetővé teszi, hogy figyelemre méltó eredményeket érjen el.
Csatornák egyszerű csatlakoztatása a Wi-Fi-n 6
A csatornakötés a Wi-Fi 6-ban lehetővé teszi 20–160 MHz szélességű kombinált csatornák elérését. Sőt, a csatlakozást nem kell közeli tartományban létrehozni. Például az egyik blokkot az 5,17 GHz-es sávból, a másodikat az 5,135 GHz-es sávból lehet venni. Ez lehetővé teszi a rádiós környezet rugalmas kialakítását még erős interferenciatényezők jelenlétében vagy más, folyamatosan sugárzó állomások közelében is.
SIMO-tól MIMO-ig
A MIMO módszer nem mindig volt velünk. Réges-régen a mobilkommunikációt a SIMO módra kellett korlátozni, ami azt jelentette, hogy több antenna volt az előfizetői állomáson, amelyek egyidejűleg dolgoztak az információ vételén.
A MU-MIMO-t úgy tervezték, hogy információkat továbbítson a felhasználóknak a teljes jelenlegi antennakészlet használatával. Ez eltávolítja a korábban a CSMA/CA protokoll által az előfizetői eszközöknek továbbítás céljából történő tokenek küldésével kapcsolatos korlátozásokat. Mostantól a felhasználók egy csoportban egyesülnek, és minden csoporttag megkapja a rá eső részét a hozzáférési pont antenna erőforrásából, nem pedig a sorára vár.
Rádiósugár kialakítása
A MU-MIMO működésének fontos szabálya az antennatömb olyan működési módjának fenntartása, amely nem vezet a rádióhullámok kölcsönös átfedéséhez és a fázis-összeadás miatti információvesztéshez.
Ez összetett matematikai számításokat igényel a hozzáférési pont oldalán. Ha a terminál támogatja ezt a funkciót, a MU-MIMO lehetővé teszi, hogy megmondja a hozzáférési pontnak, hogy mennyi ideig tart a jel vétele az egyes antennákon. A hozzáférési pont pedig úgy állítja be az antennáit, hogy optimálisan irányított sugarat alkossanak.
Mit ad ez nekünk általában?
A táblázatban szereplő fehér körök számokkal jelzik a korábbi generációk Wi-Fi használatának jelenlegi forgatókönyveit. A kék körök (lásd a fenti ábrát) a Wi-Fi 6 képességeit írják le, a szürkék pedig a közeljövő kérdései.
Az új OFDMA-kompatibilis megoldások fő előnyei a TDM-hez (Time Division Multiplexing) hasonló szinten megvalósított erőforrásegységekhez kapcsolódnak. Ez korábban soha nem volt így a Wi-Fi-vel. Ez lehetővé teszi a kiosztott sávszélesség egyértelmű szabályozását, minimális jelátviteli időt biztosítva a médiumon és a szükséges megbízhatósági szintet. Szerencsére senki sem kételkedik abban, hogy a Wi-Fi megbízhatósági mutatóit javítani kell.
A történelem spirálisan halad, és a jelenlegi helyzet hasonló ahhoz, ami egykor az Ethernet körül alakult ki. Már ekkor kialakult az a vélemény, hogy a CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) átviteli közeg nem nyújt garantált áteresztőképességet. És ez így folytatódott az IEEE 802.3z-re való átállásig.
Ami az általános alkalmazási modelleket illeti, amint látható, a Wi-Fi minden generációjával a használati forgatókönyvek megsokszorozódnak, egyre érzékenyebbek a késésekre, általános és a megbízhatóság.
És ismét a fizikai környezetről
Nos, most beszéljünk arról, hogyan alakul ki az új fizikai környezet. CSMA/CA és OFDM használatakor az aktív STA-k számának növekedése a 20 MHz-es csatorna áteresztőképességének komoly csökkenéséhez vezetett. Ennek oka a már említett: nem a legújabb STC (Space-Time Coding) és MRC (Maximum Ratio Combining) technológiák.
Az OFDMA az erőforrásegységek használatával hatékonyan kommunikálhat nagy távolságú és kis teljesítményű állomásokkal. Lehetőséget kapunk arra, hogy azonos szolgáltatói tartományban dolgozzunk különböző mennyiségű erőforrást fogyasztó felhasználókkal. Egy felhasználó elfoglalhat egy egységet, egy másik pedig az összes többit.
Miért nem volt korábban OFDMA?
És végül a fő kérdés: miért nem volt korábban OFDMA? Furcsa módon minden a pénzen múlott.
Sokáig azt hitték, hogy a Wi-Fi modul árának minimálisnak kell lennie. Amikor a protokollt 1997-ben kereskedelmi forgalomba hozták, úgy döntöttek, hogy egy ilyen modul gyártási költsége nem haladhatja meg az 1 dollárt. Ennek eredményeként a technológia fejlődése nem az optimális pályára lépett. Itt nem vesszük figyelembe az LTE szolgáltatót, ahol az OFDMA-t meglehetősen régóta használják.
A Wi-Fi munkacsoport végül úgy döntött, hogy ezeket a fejlesztéseket a távközlési szolgáltatók világából veszi át a vállalati hálózatok világába. A fő feladat a jobb minőségű elemek, például szűrők, oszcillátorok használatára való átállás volt.
Miért volt olyan nehéz nekünk a régi MRC kódolásokkal interferenciával vagy anélkül dolgozni? Mivel az MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) nyalábformáló mechanizmus drámaian megnövelte a hibák számát, amint megpróbáltuk nagyszámú átviteli pontot kombinálni. Az OFDMA bebizonyította, hogy a probléma megoldható.
Az interferencia elleni küzdelem ma már a matematikán alapul. Ha az átviteli ablak elég hosszú, az ebből eredő dinamikus interferencia problémákat okoz. Az új működési algoritmusok lehetővé teszik ezek elkerülését, kiküszöbölve nemcsak a Wi-Fi átvitelhez kapcsolódó interferencia hatását, hanem az ebben a tartományban előforduló egyéb zavarokat is.
Az adaptív anti-interferencia-nak köszönhetően akár 11 dB-es erősítést is elérhetünk összetett heterogén környezetben is. A Huawei saját algoritmusos megoldásainak alkalmazása lehetővé tette, hogy pontosan ott, ahol szükség volt rá - a beltéri megoldásokban - komoly optimalizálás valósítható meg. Ami jó az 5G-ben, az nem feltétlenül jó Wi-Fi 6 környezetben. A masszív MIMO és MU-MIMO megközelítések különböznek a beltéri és kültéri megoldások esetében. Ahol szükséges, célszerű drága megoldásokat használni, mint például az 5G esetében. De más lehetőségekre is szükség van, például a Wi-Fi 6-ra, amely képes biztosítani a késleltetést és más mutatókat, amelyeket a szolgáltatóktól elvárunk.
Tőlük kölcsönözzük azokat az eszközöket, amelyek hasznosak lesznek számunkra, mint vállalati fogyasztók számára, mindezt azért, hogy olyan fizikai környezetet biztosítsunk, amelyre támaszkodhatunk.
***
Egyébként ne feledkezzünk meg a 2020-as új Huawei termékekről szóló számos webináriumunkról sem, amelyeket nemcsak az orosz nyelvű szegmensben, hanem globális szinten is tartunk. A következő hetek webináriumainak listája a következő címen érhető el .
Forrás: will.com