Recentemente sono entrati nel mercato dispositivi che supportano la tecnologia Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), di cui si parla molto. Ma poche persone sanno che è già in corso lo sviluppo di una nuova generazione di tecnologia Wi-Fi: Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Scopri come sarà il Wi-Fi 7 in questo articolo.
Sfondo
Nel settembre 2020 celebreremo il 30° anniversario del progetto IEEE 802.11, che ha avuto un impatto significativo sulle nostre vite. Attualmente, la tecnologia Wi-Fi, definita dalla famiglia di standard IEEE 802.11, è la tecnologia wireless più popolare utilizzata per connettersi a Internet, con il Wi-Fi che trasporta oltre la metà del traffico degli utenti. Mentre la tecnologia cellulare cambia marchio ogni decennio, ad esempio sostituendo il nome 4G con 5G, per gli utenti Wi-Fi, i miglioramenti nella velocità dei dati, così come l'introduzione di nuovi servizi e nuove funzionalità, avvengono quasi inosservati. Pochi clienti si preoccupano delle lettere "n", "ac" o "ax" che seguono "802.11" sulle scatole delle apparecchiature. Ma ciò non significa che il Wi-Fi non si stia evolvendo.
Una prova dell'evoluzione del Wi-Fi è il drammatico aumento della velocità nominale dei dati: da 2 Mbps nella versione del 1997 a quasi 10 Gbps nell'ultimo standard 802.11ax, noto anche come Wi-Fi 6. Il Wi-Fi moderno raggiunge tali miglioramenti delle prestazioni grazie a progettazioni di segnali e codici più veloci, canali più ampi e l'uso della tecnologia .
Oltre al mainstream delle reti locali wireless ad alta velocità, l’evoluzione del Wi-Fi comprende diversi progetti di nicchia. Ad esempio, Wi-Fi HaLow (802.11ah) è stato un tentativo di portare il Wi-Fi nel mercato dell'Internet delle cose wireless. Il Wi-Fi a onde millimetriche (802.11ad/ay) supporta velocità dati nominali fino a 275 Gbps, anche se su distanze molto brevi.
Le nuove applicazioni e servizi legati allo streaming video ad alta definizione, alla realtà virtuale e aumentata, al gaming, all'ufficio remoto e al cloud computing, nonché la necessità di supportare grandi numeri di utenti con traffico intenso su reti wireless, richiedono prestazioni elevate.
Wi-Fi 7 obiettivi
Nel maggio 2019, il sottogruppo BE (TGbe) del gruppo di lavoro 802.11 del Comitato per gli standard delle reti locali e metropolitane ha iniziato a lavorare su una nuova aggiunta allo standard Wi-Fi che aumenterà throughput nominale fino a più di 40 Gbit/s in un canale di frequenza della portata Wi-Fi “tipica” <= 7 GHz. Sebbene molti documenti elenchino "un throughput massimo di almeno 30 Gbps", il nuovo protocollo del livello fisico fornirà velocità nominali superiori a 40 Gbps.
Un'altra importante direzione di sviluppo per Wi-Fi 7 è supporto per applicazioni in tempo reale (giochi, realtà virtuale e aumentata, controllo robot). È interessante notare che, sebbene il Wi-Fi gestisca il traffico audio e video in un modo speciale, da tempo si ritiene che fornire una bassa latenza garantita di livello standard (millisecondi), nota anche come rete Time-Sensitive, nelle reti Wi-Fi sia fondamentalmente impossibile. Nel novembre 2017, il nostro team dell’IITP RAS e della National Research University Higher School of Economics (non prendetela per PR) ha presentato una proposta corrispondente nel gruppo IEEE 802.11. La proposta ha suscitato molto interesse e nel luglio 2018 è stato lanciato uno speciale sottogruppo per studiare ulteriormente la questione. Poiché il supporto delle applicazioni in tempo reale richiede sia velocità dati nominali elevate che funzionalità avanzate del livello di collegamento, il gruppo di lavoro 802.11 ha deciso di sviluppare metodi per supportare le applicazioni in tempo reale all'interno di Wi-Fi 7.
Un problema importante con Wi-Fi 7 è la sua coesistenza con le tecnologie di rete cellulare (4G/5G) sviluppate da 3GPP e operanti nelle stesse bande di frequenza senza licenza. Stiamo parlando di LTE-LAA/NR-U. Per studiare i problemi associati alla coesistenza di reti Wi-Fi e cellulari, IEEE 802.11 ha lanciato il Coexisting Standing Committee (Coex SC). Nonostante i numerosi incontri e persino un workshop congiunto dei partecipanti al 3GPP e all’IEEE 802.11 nel luglio 2019 a Vienna, le soluzioni tecniche non sono ancora state approvate. Una possibile spiegazione di questa inutilità è che sia IEEE 802 che 3GPP sono riluttanti a modificare le proprie tecnologie per conformarsi all'altra. Così, Al momento non è chiaro se le discussioni del Coex SC avranno un impatto sullo standard Wi-Fi 7.
Processo di sviluppo
Sebbene il processo di sviluppo del Wi-Fi 7 sia nelle sue fasi iniziali, ad oggi sono state presentate quasi 500 proposte per nuove funzionalità per il prossimo Wi-Fi 7, noto anche come IEEE 802.11be. La maggior parte delle idee sono in fase di discussione nel sottogruppo be e non è stata ancora presa una decisione in merito. Altre idee sono state recentemente approvate. Di seguito verranno chiaramente indicate quali proposte sono approvate e quali sono solo in discussione.
Inizialmente era stato previsto che lo sviluppo dei principali nuovi meccanismi sarebbe stato completato entro marzo 2021. La versione finale dello standard è prevista entro l’inizio del 2024. Nel gennaio 2020, l’11be ha espresso preoccupazione sul fatto che lo sviluppo sarebbe rimasto nei tempi previsti al ritmo attuale dei lavori. Per accelerare il processo di sviluppo standard, il sottogruppo ha deciso di selezionare un piccolo insieme di funzionalità ad alta priorità che potrebbero essere rilasciate entro il 2021 (Release 1) e di lasciare il resto alla Release 2. Le funzionalità ad alta priorità dovrebbero fornire i principali miglioramenti in termini di prestazioni e includono il supporto per 320 MHz, 4K-QAM, evidenti miglioramenti a OFDMA da Wi-Fi 6, MU-MIMO con 16 stream.
A causa del coronavirus, il gruppo attualmente non si incontra di persona, ma tiene regolarmente teleconferenze. Pertanto, lo sviluppo ha rallentato leggermente, ma non si è fermato.
Dettagli tecnologici
Diamo un'occhiata alle principali novità del Wi-Fi 7.
- Il nuovo protocollo del livello fisico è uno sviluppo del protocollo Wi-Fi 6 con un duplice incremento larghezza di banda fino a 320 MHz, raddoppia il numero di flussi MU-MIMO spaziali, che aumenta il throughput nominale di 2×2 = 4 volte. Anche il Wi-Fi 7 inizia a utilizzare la modulazione 4K QAM, che aggiunge un altro 20% al rendimento nominale. Pertanto, Wi-Fi 7 fornirà 2x2x1,2 = 4,8 volte la velocità dati nominale di Wi-Fi 6: il throughput nominale massimo di Wi-Fi 7 è 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbit/s. Inoltre, ci sarà un cambiamento rivoluzionario nel protocollo del livello fisico per garantire la compatibilità con le future versioni del Wi-Fi, ma rimarrà invisibile agli utenti.
- Modifica del metodo di accesso al canale per supporto applicativo in tempo reale sarà effettuato tenendo conto dell'esperienza di IEEE 802 TSN per le reti cablate. Le discussioni in corso nel comitato per gli standard riguardano la procedura di backoff casuale per l'accesso al canale, le categorie di servizi di traffico e quindi le code separate per il traffico in tempo reale e le politiche dei servizi a pacchetto.
- Introdotto nel Wi-Fi 6 (802.11ax) Ofdma – Metodo di accesso al canale a divisione di tempo e frequenza (simile a quello utilizzato nelle reti 4G e 5G) – offre nuove opportunità per l’allocazione ottimale delle risorse. Tuttavia, in 11ax, OFDMA non è sufficientemente flessibile. Innanzitutto, consente al punto di accesso di allocare solo un blocco di risorse di dimensione predeterminata al dispositivo client. In secondo luogo, non supporta la trasmissione diretta tra stazioni client. Entrambi gli svantaggi riducono l'efficienza spettrale. Inoltre, la mancanza di flessibilità del Wi-Fi 6 OFDMA legacy riduce le prestazioni nelle reti dense e aumenta la latenza, il che è fondamentale per le applicazioni in tempo reale. 11be risolverà questi problemi OFDMA.
- Uno dei cambiamenti rivoluzionari confermati del Wi-Fi 7 è il supporto nativo utilizzo simultaneo di più connessioni parallele a frequenze diverse, che è molto utile sia per velocità di dati enormi che per latenza estremamente bassa. Sebbene i chipset moderni possano già utilizzare più connessioni contemporaneamente, ad esempio nelle bande 2.4 e 5 GHz, queste connessioni sono indipendenti, il che limita l'efficacia di tale operazione. In 11be si troverà un livello di sincronizzazione tra i canali che consentirà un utilizzo efficiente delle risorse del canale e comporterà cambiamenti significativi nelle regole del protocollo di accesso al canale.
- L'uso di canali molto ampi e di un gran numero di flussi spaziali porta al problema dell'elevato sovraccarico associato alla procedura di stima dello stato del canale richiesta per MIMO e OFDMA. Questo sovraccarico annulla qualsiasi guadagno derivante dall’aumento della velocità dati nominale. Me lo aspettavo la procedura di valutazione delle condizioni del canale sarà rivista.
- Nell'ambito del Wi-Fi 7, il comitato per gli standard sta discutendo l'uso di alcuni metodi di trasferimento dati "avanzati". In teoria, questi metodi migliorano l'efficienza spettrale nel caso di tentativi di trasmissione ripetuti, nonché di trasmissioni simultanee nella stessa direzione o in direzioni opposte. Stiamo parlando della richiesta ibrida di ripetizione automatica (HARQ), attualmente utilizzata nelle reti cellulari, della modalità full-duplex e dell'accesso multiplo non ortogonale (NOMA). Queste tecniche sono state ben studiate in letteratura in teoria, ma non è ancora chiaro se i guadagni di produttività che forniscono varranno lo sforzo di implementarle.
- l'uso di HARQ complicato dal seguente problema. Nel Wi-Fi, i pacchetti vengono incollati insieme per ridurre i costi generali. Nelle attuali versioni Wi-Fi viene confermata la consegna di ciascun pacchetto all'interno di quello incollato e, se la conferma non arriva, la trasmissione del pacchetto viene ripetuta utilizzando le modalità del protocollo di accesso al canale. HARQ sposta i tentativi dal collegamento dati allo strato fisico, dove non ci sono più pacchetti, ma solo parole in codice, e i confini delle parole in codice non coincidono con i confini dei pacchetti. Questa desincronizzazione complica l'implementazione di HARQ nel Wi-Fi.
- Per quanto riguarda Full-Duplex, quindi attualmente né nelle reti cellulari né nelle reti Wi-Fi è possibile trasmettere simultaneamente dati sullo stesso canale di frequenza da e verso il punto di accesso (stazione base). Da un punto di vista tecnico ciò è dovuto alla 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 un segnale Wi-Fi durante la sua trasmissione, il guadagno che possono fornire in pratica può essere trascurabile a causa del fatto che in qualsiasi momento quella a valle non è uguale a quella ascendente (mediamente “in ospedale” quella discendente è sensibilmente maggiore). Inoltre, tale trasmissione bidirezionale complicherà notevolmente il protocollo.
- Mentre la trasmissione di flussi multipli utilizzando MIMO richiede più antenne per il mittente e il destinatario, con l'accesso non ortogonale il punto di accesso può trasmettere simultaneamente i dati a due destinatari da una singola antenna. Nelle ultime specifiche 5G sono incluse diverse opzioni di accesso non ortogonali. Prototipo O Il Wi-Fi è stato creato per la prima volta nel 2018 presso l’IITP RAS (di nuovo, non considerarlo PR). Ha dimostrato un aumento delle prestazioni del 30-40%. Il vantaggio della tecnologia sviluppata è la sua compatibilità con le versioni precedenti: uno dei due destinatari potrebbe essere un dispositivo obsoleto che non supporta Wi-Fi 7. In generale, il problema della compatibilità con le versioni precedenti è molto importante, poiché dispositivi di generazioni diverse possono funzionare contemporaneamente su una rete Wi-Fi. Attualmente diversi team in tutto il mondo stanno analizzando l’efficacia dell’uso combinato di NOMA e MU-MIMO, i cui risultati determineranno il destino futuro dell’approccio. Stiamo continuando a lavorare anche sul prototipo: la sua prossima versione sarà presentata alla conferenza IEEE INFOCOM di luglio 2020.
- Infine, un'altra innovazione importante, ma dal destino poco chiaro, è funzionamento coordinato dei punti di accesso. Sebbene molti fornitori dispongano di controller centralizzati per le reti Wi-Fi aziendali, le funzionalità di tali controller sono generalmente limitate alla configurazione dei parametri a lungo termine e alla selezione dei canali. Il comitato per gli standard sta discutendo una più stretta cooperazione tra punti di accesso vicini, che includa la pianificazione coordinata della trasmissione, il beamforming e persino i sistemi MIMO distribuiti. Alcuni degli approcci in esame utilizzano la cancellazione sequenziale delle interferenze (più o meno come in NOMA). Sebbene gli approcci per il coordinamento di 11be non siano stati ancora sviluppati, non vi è dubbio che lo standard consentirà ai punti di accesso di diversi produttori di coordinare tra loro gli orari di trasmissione per ridurre le interferenze reciproche. Altri approcci più complessi (come il MU-MIMO distribuito) saranno più difficili da implementare nello standard, sebbene alcuni membri del gruppo siano determinati a farlo entro la Release 2. Indipendentemente dal risultato, il destino dei metodi di coordinamento dei punti di accesso non è chiaro. Anche se inclusi nello standard, potrebbero non raggiungere il mercato. Una cosa simile è accaduta in precedenza quando si è cercato di mettere ordine nelle trasmissioni Wi-Fi utilizzando soluzioni come HCCA (11e) e HCCA TXOP Negotiation (11be).
In sintesi, sembra che la maggior parte delle proposte associate ai primi cinque gruppi entreranno a far parte del Wi-Fi 7, mentre le proposte associate agli ultimi due gruppi richiedono significative ricerche aggiuntive per dimostrarne l'efficacia.
Maggiori dettagli tecnici
Puoi leggere i dettagli tecnici sul Wi-Fi 7 (in inglese)
Fonte: habr.com