🥇Cosa ci aspetta in Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Di recente sono stati lanciati sul mercato dispositivi che supportano la tecnologia Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), di cui si parla molto. Ma pochi sanno che è già in fase di sviluppo una nuova generazione della tecnologia Wi-Fi — il Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). In questo articolo esploreremo cosa rappresenterà il Wi-Fi 7.

Contesto

A settembre 2020 celebreremo il trentesimo anniversario del progetto IEEE 802.11, che ha avuto un impatto significativo sulla nostra vita. Attualmente, la tecnologia Wi-Fi, definita dalla famiglia di standard IEEE 802.11, è la tecnologia wireless più popolare utilizzata per connettersi a Internet: il Wi-Fi trasmette più della metà del traffico degli utenti. Mentre le tecnologie mobili subiscono un rebranding ogni decennio, ad esempio passando da 4G a 5G, per gli utenti Wi-Fi l'aumento della velocità di trasmissione dei dati e l'introduzione di nuovi servizi e funzionalità avvengono praticamente in sordina. Solo pochi clienti si preoccupano delle lettere «n», «ac» o «ax» che seguono «802.11» sulle confezioni dell'hardware. Ma ciò non significa che il Wi-Fi non stia evolvendo.

Una delle evidenze dello sviluppo del Wi-Fi è l'aumento drammatico delle velocità nominali di trasmissione dei dati: da 2 Mbit/s nella versione del 1997 a quasi 10 Gbit/s nel più recente standard 802.11ax, noto anche come Wi-Fi 6. Il moderno Wi-Fi raggiunge questo incremento di prestazioni grazie a costrutti di segnale e codifica più veloci, canali più ampi e all'uso di tecnologie. MIMO.

Oltre alla principale direzione delle reti locali wireless ad alta velocità, l'evoluzione del Wi-Fi include diversi progetti di nicchia. Ad esempio, Wi-Fi HaLow (802.11ah) è stato un tentativo di portare il Wi-Fi nel mercato dell'Internet of Things wireless. Wi-Fi a onde millimetriche (802.11ad/ay) supporta velocità di trasmissione dati nominali fino a 275 Gbit/s, ma su distanze molto ridotte.

Le nuove applicazioni e servizi legati a streaming video ad alta definizione, realtà virtuale e aumentata, giochi, uffici remoti e cloud computing, insieme alla necessità di supportare un gran numero di utenti con traffico intenso nelle reti wireless, richiedono alte prestazioni.

Obiettivi del Wi-Fi 7

Nel maggio 2019, il sottogruppo BE (TGbe) del gruppo di lavoro 802.11 del comitato per la standardizzazione delle reti locali e metropolitane ha iniziato a lavorare su un nuovo supplemento allo standard Wi-Fi, che aumenterà la capacità nominale di oltre 40 Gbit/s in un canale di frequenza 'tipico' per le gamme Wi-Fi <= 7 GHz. Anche se molti documenti citano 'una capacità massima di almeno 30 Gbit/s', il nuovo protocollo di livello fisico garantirà una velocità nominale superiore ai 40 Gbit/s.

Un altro importante obiettivo dello sviluppo del Wi-Fi 7 è il supporto per applicazioni in tempo reale (giochi, realtà virtuale e aumentata, controllo dei robot). È interessante notare che, sebbene il Wi-Fi gestisca in modo particolare il traffico audio e video, si è a lungo pensato che garantire basse latenze (nell'ordine di unità di millisecondi), noto anche come Time-Sensitive Networking, fosse fondamentalmente impossibile nelle reti Wi-Fi. Nel novembre 2017, il nostro team dell'Istituto di Programmazione e Problemi Informatici dell'Accademia delle Scienze e dell'Università Nazionale di Ricerca Higher School of Economics (non consideratelo come pubblicità) ha presentato una proposta pertinente al gruppo IEEE 802.11. La proposta ha suscitato grande interesse, e a luglio 2018 è stato avviato un sottogruppo speciale per ulteriori studi su questa questione. Poiché le applicazioni in tempo reale richiedono sia elevate velocità di trasmissione nominali che un'estensione delle funzionalità del livello di collegamento, il gruppo di lavoro 802.11 ha deciso di sviluppare metodi per supportare applicazioni in tempo reale all'interno di Wi-Fi 7.

Una questione importante relativa al Wi-Fi 7 è la sua coesistenza con le tecnologie delle reti mobili (4G/5G), sviluppate da 3GPP e operative nelle stesse bande di frequenza non autorizzate. Questo riguarda LTE-LAA/NR-U. Per studiare le problematiche legate alla coesistenza tra Wi-Fi e reti mobili, l'IEEE 802.11 ha avviato il Coexisting Standing Committee (Coex SC). Nonostante numerosi incontri e anche un seminario congiunto tra i partecipanti di 3GPP e IEEE 802.11 a luglio 2019 a Vienna, le soluzioni tecniche non sono ancora state approvate. Una possibile spiegazione di questa attività infruttuosa è che sia IEEE 802 che 3GPP non vogliono modificare le proprie tecnologie per allinearsi all'altra. Pertanto, al momento non è chiaro se le discussioni all'interno del Coex SC influenzeranno lo standard Wi-Fi 7.

Il processo di sviluppo

Sebbene il processo di sviluppo del Wi-Fi 7 sia ancora nelle fasi iniziali, sono state presentate circa 500 proposte di nuove funzionalità per il futuro Wi-Fi 7, noto anche come IEEE 802.11be. La maggior parte delle idee è attualmente in discussione nel sottogruppo be e non è stata ancora presa una decisione. Alcune proposte sono state recentemente approvate. Di seguito sarà chiaramente indicato quali proposte sono state approvate e quali sono ancora in discussione.

Inizialmente, si prevedeva che lo sviluppo delle nuove meccanismi fondamentali si sarebbe concluso entro marzo 2021. La versione finale dello standard è attesa per l'inizio del 2024. A gennaio 2020, nel sottogruppo 11be, sono emerse preoccupazioni sul fatto che lo sviluppo rispettasse la scadenza attuale con il ritmo di lavoro attuale. Per accelerare il processo di sviluppo dello standard, il sottogruppo ha concordato di selezionare un piccolo insieme di funzionalità ad alta priorità che potrebbero essere rilasciate nel 2021 (Release 1), mentre le altre sarebbero rimaste per il Release 2. Le funzionalità ad alta priorità dovrebbero fornire un aumento significativo delle prestazioni e includere il supporto per 320 MHz, 4K-QAM, notevoli miglioramenti dell'OFDMA rispetto al Wi-Fi 6, e MU-MIMO con 16 flussi.

A causa del coronavirus, il gruppo attualmente non si riunisce di persona, ma tiene regolarmente teleconferenze. Di conseguenza, lo sviluppo è rallentato, ma non si è fermato.

Dettagli della tecnologia

Esaminiamo le principali novità del Wi-Fi 7.

Il nuovo protocollo di livello fisico rappresenta un'evoluzione del protocollo Wi-Fi 6, raddoppiando la larghezza di banda a 320 MHz e raddoppiando il numero di flussi spaziali MU-MIMO, il che aumenta la capacità nominale di 2×2 = 4 volte. Il Wi-Fi 7 inizia anche a utilizzare la modulazione 4K-QAM, che aggiunge ulteriori 20% alla capacità nominale. Pertanto, il Wi-Fi 7 fornirà una velocità di trasmissione dati nominale di 2x2x1,2 = 4,8 volte superiore rispetto al Wi-Fi 6: la massima capacità nominale del Wi-Fi 7 è di 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbps. Inoltre, ci sarà un cambiamento rivoluzionario nel protocollo di livello fisico, relativo al supporto della compatibilità con le future versioni del Wi-Fi, ma rimarrà invisibile agli utenti.
Modifica del metodo di accesso al canale per supportare applicazioni in tempo reale sarà condotto tenendo conto dell'esperienza IEEE 802 TSN per reti cablate. I dibattiti in corso nel comitato di standardizzazione riguardano la procedura di rinvio casuale per l'accesso al canale, le categorie di servizio del traffico e, di conseguenza, code separate per il traffico in tempo reale, oltre alle politiche di gestione dei pacchetti.
Introdotto in Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA è un metodo di accesso al canale che utilizza la divisione temporale e di frequenza (simile a quello usato nelle reti 4G e 5G) - offre nuove opportunità per una distribuzione ottimale delle risorse. Tuttavia, in 11ax l'OFDMA è poco flessibile. In primo luogo, consente all'access point di assegnare al dispositivo client solo un blocco di risorse di dimensioni predeterminate. In secondo luogo, non supporta la trasmissione diretta tra le stazioni client. Entrambi i difetti riducono l'efficienza spettrale. Inoltre, la mancanza di flessibilità ereditata dall'OFDMA di Wi-Fi 6 compromette le prestazioni in reti dense e aumenta la latenza, cosa critica per le applicazioni in tempo reale. 11be risolverà questi problemi dell'OFDMA.
Uno dei cambiamenti rivoluzionari approvati del Wi-Fi 7 è il supporto integrato per l'utilizzo simultaneo di più connessioni parallele su diverse frequenze, il quale è estremamente utile sia per le velocità di trasmissione dati elevate che per la latenza molto bassa. Sebbene i chipset moderni possano già utilizzare più connessioni contemporaneamente, ad esempio nelle bande a 2.4 e 5 GHz, queste connessioni sono indipendenti, limitando così l'efficacia di tale operazione. Con l'11be si troverà un livello di sincronizzazione tra i canali che consente di sfruttare in modo efficace le risorse del canale e porterà a significativi cambiamenti nelle regole del protocollo di accesso al canale.
L'uso di canali molto ampi e di un numero elevato di flussi spaziali porta a problemi di elevate spese generali legate alla procedura di valutazione dello stato del canale, necessaria per MIMO e OFDMA. Queste spese generali annullano tutto il guadagno derivante dall'aumento delle velocità di trasmissione nominali. Ci si aspetta che la procedura di valutazione dello stato del canale venga rivista.
Nel contesto del Wi-Fi 7, il comitato di standardizzazione sta discutendo l'uso di alcuni metodi di trasmissione "avanzati". In teoria, questi metodi migliorano l'efficienza spettrale in caso di ritrasmissioni, così come durante trasmissioni simultanee nella stessa o opposta direzione. Si parla di Richiesta Automatica di Ritrasmissione Ibrida (HARQ), già utilizzata nelle reti cellulari, della modalità full-duplex e dell'accesso multiplo non ortogonale (NOMA). Questi metodi sono ben documentati in letteratura in teoria, tuttavia non è ancora chiaro se il guadagno di prestazioni che offrono giustifichi gli sforzi necessari per la loro implementazione.
- L'utilizzo di HARQ complicato dal problema successivo. Nel Wi-Fi, per ridurre le spese generali, i pacchetti vengono incollati. Nelle attuali versioni di Wi-Fi, la consegna di ogni pacchetto all'interno dell'incollaggio è confermata e, se la conferma non arriva, la trasmissione del pacchetto viene ripetuta con i metodi del protocollo di accesso al canale. L'HARQ trasferisce i tentativi di ripetizione dal livello di collegamento a quello fisico, dove non ci sono più pacchetti, ma parole codice, e i confini delle parole codice non coincidono con il confine dei pacchetti. Tale desincronizzazione complica l'implementazione dell'HARQ nel Wi-Fi.
- Per quanto riguarda Full-Duplex, attualmente né nelle reti mobili né nelle reti Wi-Fi è possibile trasmettere dati e ricevere contemporaneamente nello stesso canale di frequenza da e verso il punto di accesso (stazione base). Dal punto di vista tecnico, questo è legato a una grande differenza nella potenza del segnale trasmesso e ricevuto. Sebbene esistano prototipi che combinano la sottrazione digitale e analogica del segnale trasmesso da quello ricevuto, in grado di ricevere il segnale Wi-Fi durante la propria trasmissione, il guadagno che possono fornire nella pratica potrebbe essere insignificante a causa del fatto che, in ogni momento, il flusso discendente non è uguale a quello ascendente (in media, «a livello generale», il flusso discendente è sostanzialmente maggiore). Inoltre, tale trasmissione bidirezionale complicherà notevolmente il protocollo.
- Se per trasmettere più flussi utilizzando MIMO sono necessarie più antenne per il trasmettitore e il ricevitore, nel caso dell'accesso non ortogonale il punto di accesso può trasmettere contemporaneamente dati a due ricevitori da un'unica antenna. Diverse varianti di accesso non ortogonale sono incluse nelle ultime specifiche del 5G. Prototipo NOMA Il Wi-Fi è stato creato per la prima volta nel 2018 presso l'IPPI RAN (non consideratelo come pubblicità). Ha dimostrato un aumento delle prestazioni del 30-40%. I punti di forza della tecnologia sviluppata includono la sua retrocompatibilità: uno dei due ricevitori può essere un dispositivo obsoleto che non supporta il Wi-Fi 7. In generale, il problema della retrocompatibilità è molto importante, poiché nella rete Wi-Fi possono operare simultaneamente dispositivi di diverse generazioni. Attualmente, diversi team nel mondo analizzano l'efficacia della condivisione di NOMA e MU-MIMO, i cui risultati determineranno il futuro approccio. Stiamo inoltre continuando a lavorare su un prototipo: la sua prossima versione sarà presentata alla conferenza IEEE INFOCOM a luglio 2020.
Infine, un'altra importante innovazione, ma con un destino incerto, è il funzionamento coordinato degli access point. Sebbene molti fornitori abbiano i propri controller centralizzati per reti Wi-Fi aziendali, le funzionalità di tali controller sono state generalmente limitate alla configurazione di impostazioni a lungo termine e alla scelta dei canali. Il comitato per la standardizzazione discute di una collaborazione più stretta tra i punti di accesso adiacenti, che includerebbe pianificazioni di trasmissione coordinate, beamforming (trasmissione direzionale del segnale) e persino sistemi MIMO distribuiti. Alcuni degli approcci considerati utilizzano la soppressione sequenziale delle interferenze (simile a ciò che avviene nel NOMA). Anche se gli approcci per la coordinazione del 11be non sono ancora sviluppati, non c'è dubbio che lo standard permetterà ai punti di accesso di produttori diversi di coordinare i propri piani di trasmissione per ridurre le interferenze reciproche. Per quanto riguarda altri approcci più complessi (come il MU-MIMO distribuito), l'integrazione nello standard sarà più difficile, anche se alcuni membri del gruppo sono determinati a farlo nel contesto del Release 2. Indipendentemente dall'esito, il destino dei metodi di coordinazione dei punti di accesso rimane incerto. Anche se integrati nello standard, potrebbero non arrivare mai sul mercato. Situazioni simili si sono già verificate in passato nel tentativo di regolamentare le trasmissioni Wi-Fi tramite soluzioni come HCCA (11e) e HCCA TXOP Negotiation (11be).

In sintesi, sembra che la maggior parte delle proposte legate alle prime cinque categorie diventerà parte del Wi-Fi 7, mentre le proposte relative alle ultime due categorie richiedono ulteriori ricerche significative per dimostrarne l'efficacia.