Dalam perkembangannya, Huawei mengandalkan Wi-Fi 6. Dan pertanyaan dari kolega dan pelanggan tentang standar generasi baru mendorong kami untuk menulis postingan tentang landasan teoretis dan prinsip fisik yang tertanam di dalamnya. Mari beralih dari sejarah ke fisika dan melihat secara detail mengapa teknologi OFDMA dan MU-MIMO diperlukan. Mari kita juga membahas bagaimana media transmisi data fisik yang didesain ulang secara mendasar memungkinkan tercapainya kapasitas saluran yang terjamin dan pengurangan tingkat penundaan secara keseluruhan sehingga sebanding dengan operator. Meskipun demikian, jaringan modern berbasis 5G lebih mahal (rata-rata 20β30 kali lipat) dibandingkan jaringan Wi-Fi 6 dalam ruangan dengan kemampuan serupa.
Bagi Huawei, topik ini bukanlah sebuah hal yang sia-sia: solusi yang mendukung Wi-Fi 6 adalah salah satu produk terobosan kami yang paling banyak di tahun 2020, dimana banyak sumber daya telah diinvestasikan. Ini hanya satu contoh: penelitian di bidang ilmu material memungkinkan kami memilih paduan, yang penggunaannya dalam elemen radio titik akses meningkatkan rasio sinyal terhadap kebisingan sebesar 2-3 dB: angkat topi untuk Doron Ezri untuk pencapaian ini.
Sedikit sejarah
Masuk akal untuk menghitung sejarah Wi-Fi kembali ke tahun 1971, ketika di Universitas Hawaii, Profesor Norman Abramson dan sekelompok rekannya mengembangkan, membangun, dan meluncurkan jaringan data paket nirkabel ALOHAnet.
Pada tahun 1980, sekelompok standar dan protokol IEEE 802 disetujui, menggambarkan organisasi dua lapisan bawah model jaringan OSI tujuh lapisan. Kami harus menunggu selama 802.11 tahun sebelum rilis versi pertama 17.
Dengan penerapan standar 1997 pada tahun 802.11, dua tahun sebelum lahirnya Wi-Fi Alliance, generasi pertama teknologi data nirkabel terpopuler saat ini memasuki dunia yang lebih luas.
Standar IEEE 802. Generasi Wi-Fi
Standar pertama yang didukung secara luas oleh produsen peralatan adalah 802.11b. Seperti yang Anda lihat, frekuensi inovasi cukup stabil sejak akhir abad ke-XNUMX: perubahan kualitatif memerlukan waktu. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak pekerjaan telah dilakukan untuk meningkatkan media transmisi sinyal fisik. Untuk lebih memahami masalah modern Wi-Fi, mari kita beralih ke dasar fisiknya.
Mari kita ingat dasar-dasarnya!
Gelombang radio merupakan kasus khusus gelombang elektromagnetik β merambat dari sumber gangguan medan listrik dan magnet. Mereka dicirikan oleh tiga parameter utama: vektor gelombang, serta vektor kekuatan medan listrik dan magnet. Ketiganya saling tegak lurus satu sama lain. Dalam hal ini, frekuensi gelombang biasanya disebut jumlah osilasi berulang yang dapat ditampung dalam satuan waktu.
Semua ini adalah fakta yang sudah diketahui umum. Namun, untuk mencapai akhir, kita terpaksa memulai dari awal.
Pada skala rentang frekuensi radiasi elektromagnetik konvensional, jangkauan radio menempati bagian terendah (frekuensi rendah). Ini termasuk gelombang elektromagnetik dengan frekuensi osilasi dari 3 Hz hingga 3000 GHz. Semua pita lainnya, termasuk cahaya tampak, memiliki frekuensi yang jauh lebih tinggi.
Semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak energi yang dapat diberikan ke gelombang radio, namun pada saat yang sama gelombang tersebut kurang mampu membelok di sekitar rintangan dan melemah lebih cepat. Hal sebaliknya juga terjadi. Dengan mempertimbangkan fitur-fitur ini, dua rentang frekuensi utama dipilih untuk pengoperasian Wi-Fi - 2,4 GHz (pita frekuensi dari 2,4000 hingga 2,4835 GHz) dan 5 GHz (pita frekuensi 5,170-5,330, 5,490-5,730 dan 5,735-5,835 GHz).
Gelombang radio merambat ke segala arah, dan untuk mencegah pesan-pesan saling mempengaruhi karena efek interferensi, pita frekuensi biasanya dibagi menjadi beberapa bagian sempit yang terpisah - saluran dengan satu atau lain cara. . Diagram di atas menunjukkan bahwa saluran 1 dan 2 yang berdekatan dengan bandwidth 20 MHz akan saling berinterferensi, tetapi saluran 1 dan 6 tidak.
Sinyal di dalam saluran ditransmisikan menggunakan gelombang radio pada frekuensi pembawa tertentu. Untuk mengirimkan informasi, parameter gelombang dapat berupa berdasarkan frekuensi, amplitudo atau fase.
Pemisahan saluran dalam rentang frekuensi Wi-Fi
Rentang frekuensi 2,4 GHz dibagi menjadi 14 saluran yang sebagian tumpang tindih dengan lebar optimal 20 MHz. Dulu diyakini bahwa ini cukup untuk mengatur jaringan nirkabel yang kompleks. Segera menjadi jelas bahwa kapasitas jangkauan tersebut dengan cepat habis, sehingga rentang 5 GHz ditambahkan ke dalamnya, yang kapasitas spektralnya jauh lebih tinggi. Di dalamnya, selain saluran 20 MHz, dimungkinkan untuk mengalokasikan saluran dengan lebar 40 dan 80 MHz.
Untuk lebih meningkatkan efisiensi penggunaan spektrum frekuensi radio, teknologi multiplexing pembagian frekuensi ortogonal kini banyak digunakan ().
Ini melibatkan penggunaan, bersama dengan frekuensi pembawa, beberapa frekuensi subcarrier dalam saluran yang sama, yang memungkinkan transmisi data paralel. OFDM memungkinkan Anda mendistribusikan lalu lintas dengan cara "granular" yang cukup nyaman, namun karena usianya yang sudah tua, OFDM masih memiliki sejumlah kelemahan yang signifikan. Diantaranya adalah prinsip kerja menggunakan protokol jaringan CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Prevention), yang menyatakan bahwa hanya satu pengguna yang dapat bekerja pada satu operator dan subcarrier pada waktu tertentu.
Aliran spasial
Cara penting untuk meningkatkan throughput jaringan nirkabel adalah melalui penggunaan aliran spasial.
Jalur akses membawa beberapa modul radio (satu, dua atau lebih), yang dihubungkan ke sejumlah antena tertentu. Antena ini memancar menurut pola dan modulasi tertentu, dan Anda dan saya menerima informasi yang dikirimkan melalui media nirkabel. Aliran spasial dapat terbentuk antara antena fisik tertentu (modul radio) dari titik akses dan perangkat pengguna. Berkat ini, total volume informasi yang dikirimkan dari titik akses meningkat beberapa kali lipat jumlah aliran (antena).
Menurut standar saat ini, hingga empat aliran spasial dapat diimplementasikan pada pita 2,4 GHz, dan hingga delapan aliran spasial pada pita 5 GHz.
Sebelumnya, saat bekerja di pita 2,4 dan 5 GHz, kami hanya fokus pada jumlah modul radio. Kehadiran modul radio kedua memberikan fleksibilitas tambahan, karena memungkinkan perangkat pelanggan lama beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz, dan perangkat pelanggan baru beroperasi pada frekuensi 5 GHz. Dengan munculnya modul radio ketiga dan selanjutnya, beberapa masalah muncul. Elemen yang memancar cenderung saling mengganggu, yang meningkatkan biaya perangkat karena perlunya desain yang lebih baik dan melengkapi titik akses dengan filter kompensasi. Jadi baru-baru ini dimungkinkan untuk mendukung 16 aliran spasial per titik akses secara bersamaan.
Kecepatan praktis dan teoritis
Karena mekanisme operasi OFDM, kami tidak dapat memperoleh throughput jaringan yang maksimal. Perhitungan teoritis untuk implementasi praktis OFDM telah dilakukan sejak lama dan hanya dalam kaitannya dengan lingkungan ideal, di mana rasio signal-to-noise (SNR) dan bit error rate (BER) yang cukup tinggi diharapkan dapat diprediksi. Dalam kondisi modern dengan noise yang kuat di semua spektrum frekuensi radio yang kita minati, throughput jaringan berbasis OFDM sangatlah rendah. Dan protokol tersebut terus menanggung kekurangan ini hingga saat ini, hingga teknologi OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) hadir untuk menyelamatkannya. Tentang dia - sedikit lebih jauh.
Mari kita bicara tentang antena
Seperti yang Anda ketahui, setiap antena memiliki penguatan, tergantung pada nilai pola spasial perambatan sinyal (beamforming) yang dibentuk dengan area cakupan tertentu (kami tidak memperhitungkan refleksi ulang sinyal, dll.). Inilah tepatnya yang selalu menjadi dasar pemikiran para desainer di mana tepatnya titik akses harus ditempatkan. Untuk waktu yang lama, bentuk polanya tetap tidak berubah dan hanya bertambah atau berkurang sebanding dengan karakteristik antena.
Elemen antena modern menjadi semakin dapat dikontrol dan memungkinkan perubahan dinamis dalam pola spasial perambatan sinyal secara real time.
Gambar kiri di atas menunjukkan prinsip perambatan gelombang radio menggunakan antena omnidireksional standar. Dengan meningkatkan kekuatan sinyal, kami hanya dapat mengubah radius jangkauan tanpa dapat mempengaruhi kualitas penggunaan saluran secara signifikan - KQI (Key Quality Indicators). Dan indikator ini sangat penting ketika mengatur komunikasi dalam kondisi seringnya pergerakan perangkat pelanggan di lingkungan nirkabel.
Solusi dari masalah tersebut adalah penggunaan antena kecil dalam jumlah besar, yang bebannya dapat diatur secara real time, membentuk pola propagasi tergantung pada posisi spasial pengguna.
Dengan demikian, penggunaan teknologi MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) bisa didekati. Dengan bantuannya, titik akses setiap saat menghasilkan aliran radiasi yang diarahkan khusus ke perangkat pelanggan.
Dari fisika hingga standar 802.11
Seiring berkembangnya standar Wi-Fi, prinsip kerja dengan lapisan fisik jaringan juga berubah. Penggunaan mekanisme modulasi lain telah memungkinkan - dimulai dengan versi 802.11g/n - untuk memasukkan lebih banyak informasi ke dalam slot waktu dan, karenanya, bekerja dengan lebih banyak pengguna. Hal ini antara lain dicapai melalui pemanfaatan arus spasial. Dan fleksibilitas baru dalam hal lebar saluran telah memungkinkan untuk menghasilkan lebih banyak sumber daya untuk MIMO.
Persetujuan standar Wi-Fi 7 dijadwalkan tahun depan. Apa yang akan berubah dengan kedatangannya? Selain peningkatan kecepatan biasa dan penambahan pita 6 GHz, dimungkinkan untuk bekerja dengan saluran agregat lebar, misalnya 320 MHz. Hal ini sangat menarik dalam konteks aplikasi industri.
Throughput Wi-Fi 6 teoretis
Rumus teoritis untuk menghitung kecepatan nominal Wi-Fi 6 cukup rumit dan bergantung pada banyak parameter, dimulai dengan jumlah aliran spasial dan diakhiri dengan informasi yang dapat kita masukkan ke dalam subcarrier (atau subcarrier, jika ada beberapa). mereka) per satuan waktu.
Seperti yang Anda lihat, banyak hal bergantung pada arus spasial. Namun sebelumnya, peningkatan jumlah mereka yang dikombinasikan dengan penggunaan STC (Space-Time Coding) dan MRC (Maximum Ratio Combining) memperburuk kinerja solusi nirkabel secara keseluruhan.
Teknologi Lapisan Fisik Kunci Baru
Mari beralih ke teknologi utama lapisan fisik - dan mulai dengan lapisan pertama model jaringan OSI.
Ingatlah bahwa OFDM menggunakan sejumlah subcarrier tertentu, yang, tanpa mempengaruhi satu sama lain, mampu mengirimkan sejumlah informasi tertentu.
Pada contoh kita menggunakan pita 5,220 GHz yang berisi 48 subchannel. Dengan menggabungkan saluran ini, kita mendapatkan lebih banyak subcarrier, yang masing-masing menggunakan skema modulasinya sendiri.
Wi-Fi 5 menggunakan modulasi amplitudo kuadratur 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), yang memungkinkan Anda membentuk bidang 16 x 16 titik dalam frekuensi pembawa dalam satu slot waktu, berbeda dalam amplitudo dan fase. Ketidaknyamanannya adalah pada saat tertentu hanya satu stasiun yang dapat melakukan transmisi pada frekuensi pembawa.
Orthogonal frekuensi divisi multiplexing (OFDMA) berasal dari dunia operator seluler, tersebar luas bersamaan dengan LTE dan digunakan untuk mengatur downlink (saluran komunikasi ke pelanggan). Hal ini memungkinkan Anda untuk bekerja dengan saluran pada tingkat yang disebut unit sumber daya. Unit-unit ini membantu memecah suatu blok menjadi sejumlah komponen tertentu. Dalam satu blok, setiap saat kita tidak dapat bekerja secara ketat dengan satu elemen pemancar (pengguna atau titik akses), tetapi menggabungkan lusinan elemen. Hal ini memungkinkan Anda untuk mencapai hasil yang luar biasa.
Koneksi saluran yang mudah di Wi-Fi 6
Pengikatan Saluran di Wi-Fi 6 memungkinkan Anda memperoleh saluran gabungan dengan lebar 20 hingga 160 MHz. Selain itu, sambungan tidak harus dilakukan dalam jarak dekat. Misalnya, satu blok dapat diambil dari pita 5,17 GHz, dan blok kedua dari pita 5,135 GHz. Hal ini memungkinkan Anda untuk secara fleksibel membangun lingkungan radio bahkan ketika terdapat faktor interferensi yang kuat atau di dekat stasiun lain yang memancarkan emisi secara konstan.
Dari SIMO ke MIMO
Metode MIMO tidak selalu ada bersama kita. Dahulu kala, komunikasi seluler harus dibatasi pada mode SIMO, yang menyiratkan adanya beberapa antena di stasiun pelanggan, yang secara bersamaan berfungsi untuk menerima informasi.
MU-MIMO dirancang untuk mengirimkan informasi kepada pengguna menggunakan seluruh stok antena saat ini. Hal ini menghilangkan pembatasan yang sebelumnya diberlakukan oleh protokol CSMA/CA terkait dengan pengiriman token ke perangkat pelanggan untuk transmisi. Sekarang pengguna disatukan dalam sebuah grup dan masing-masing anggota grup menerima bagiannya dari sumber daya antena titik akses, daripada harus menunggu giliran.
Pembentukan pancaran radio
Aturan penting untuk pengoperasian MU-MIMO adalah mempertahankan mode pengoperasian susunan antena yang tidak menyebabkan gelombang radio saling tumpang tindih dan hilangnya informasi karena penambahan fase.
Hal ini memerlukan perhitungan matematis yang rumit di sisi titik akses. Jika terminal mendukung fitur ini, MU-MIMO memungkinkannya memberitahu titik akses berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menerima sinyal pada setiap antena tertentu. Dan titik akses, pada gilirannya, menyesuaikan antenanya untuk membentuk pancaran sinar yang diarahkan secara optimal.
Apa manfaatnya bagi kita secara umum?
Lingkaran putih dengan angka di tabel menunjukkan skenario penggunaan Wi-Fi generasi sebelumnya saat ini. Lingkaran biru (lihat ilustrasi di atas) menggambarkan kemampuan Wi-Fi 6, dan lingkaran abu-abu menggambarkan masa depan yang dekat.
Manfaat utama yang dihasilkan oleh solusi baru yang mendukung OFDMA terkait dengan unit sumber daya yang diimplementasikan pada tingkat yang mirip dengan TDM (Time Division Multiplexing). Hal ini belum pernah terjadi pada Wi-Fi sebelumnya. Hal ini memungkinkan Anda mengontrol bandwidth yang dialokasikan dengan jelas, memastikan waktu transit sinyal minimal melalui media dan tingkat keandalan yang diperlukan. Untungnya, tidak ada yang meragukan bahwa indikator keandalan Wi-Fi perlu ditingkatkan.
Sejarah bergerak dalam spiral, dan situasi saat ini serupa dengan situasi yang berkembang di sekitar Ethernet pada suatu waktu. Meski begitu, terdapat pendapat bahwa media transmisi CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) tidak memberikan jaminan throughput. Dan ini berlanjut hingga transisi ke IEEE 802.3z.
Adapun model aplikasi umum, seperti yang Anda lihat, dengan setiap generasi Wi-Fi, skenario penggunaannya berlipat ganda, semakin sensitif terhadap penundaan, secara umum dan keandalan.
Dan lagi tentang lingkungan fisik
Nah, sekarang mari kita bahas bagaimana lingkungan fisik baru terbentuk. Saat menggunakan CSMA/CA dan OFDM, peningkatan jumlah STA aktif menyebabkan penurunan serius pada throughput saluran 20 MHz. Hal ini disebabkan oleh apa yang telah disebutkan: bukan teknologi terbaru STC (Space-Time Coding) dan MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, melalui penggunaan unit sumber daya, dapat berinteraksi secara efektif dengan stasiun jarak jauh dan berdaya rendah. Kami mendapat kesempatan untuk bekerja dalam rentang operator yang sama dengan pengguna yang mengonsumsi sumber daya dalam jumlah berbeda. Satu pengguna dapat menempati satu unit, dan pengguna lainnya dapat menempati semua unit lainnya.
Mengapa sebelumnya tidak ada OFDMA?
Dan terakhir, pertanyaan utamanya: mengapa sebelumnya tidak ada OFDMA? Anehnya, semuanya bermuara pada uang.
Untuk waktu yang lama diyakini bahwa harga modul Wi-Fi harus minimal. Ketika protokol diluncurkan ke operasi komersial pada tahun 1997, diputuskan bahwa biaya produksi modul semacam itu tidak boleh melebihi $1. Akibatnya perkembangan teknologi mengambil jalur yang kurang optimal. Di sini kami tidak memperhitungkan operator LTE, dimana OFDMA telah digunakan cukup lama.
Pada akhirnya, kelompok kerja Wi-Fi memutuskan untuk mengambil perkembangan ini dari dunia operator telekomunikasi dan membawanya ke dunia jaringan perusahaan. Tugas utamanya adalah beralih ke penggunaan elemen berkualitas lebih tinggi, seperti filter dan osilator.
Mengapa begitu sulit bagi kami untuk bekerja dalam pengkodean MRC lama dengan atau tanpa gangguan? Karena mekanisme beamforming MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) secara dramatis meningkatkan jumlah kesalahan segera setelah kami mencoba menggabungkan sejumlah besar titik transmisi. OFDMA telah membuktikan bahwa masalah tersebut dapat diselesaikan.
Perjuangan melawan interferensi kini didasarkan pada matematika. Jika jendela transmisi cukup panjang, interferensi dinamis yang dihasilkan akan menimbulkan masalah. Algoritma operasi baru memungkinkan untuk menghindarinya, menghilangkan pengaruh tidak hanya gangguan yang terkait dengan transmisi Wi-Fi, tetapi juga gangguan lain yang terjadi dalam rentang ini.
Berkat anti-interferensi adaptif, kita dapat mencapai perolehan hingga 11 dB bahkan di lingkungan heterogen yang kompleks. Penggunaan solusi algoritmik milik Huawei memungkinkan tercapainya optimalisasi serius tepat di tempat yang diperlukan - dalam solusi dalam ruangan. Apa yang bagus dalam 5G belum tentu bagus di lingkungan Wi-Fi 6. Pendekatan Massive MIMO dan MU-MIMO berbeda dalam hal solusi dalam dan luar ruangan. Jika diperlukan, sebaiknya gunakan solusi yang mahal, seperti pada 5G. Namun opsi lain diperlukan, seperti Wi-Fi 6, yang dapat memberikan latensi dan metrik lain yang kami harapkan dari operator.
Kami meminjam dari mereka alat-alat yang akan berguna bagi kami sebagai konsumen perusahaan, semuanya dalam upaya menyediakan lingkungan fisik yang dapat kami andalkan.
***
Ngomong-ngomong, jangan lupakan berbagai webinar kami tentang produk baru Huawei tahun 2020, yang diadakan tidak hanya di segmen berbahasa Rusia, tetapi juga di tingkat global. Daftar webinar untuk beberapa minggu mendatang tersedia di .
Sumber: www.habr.com