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

Di recente sono stati introdotti sul mercato dispositivi che supportano la tecnologia Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), di cui si parla molto. Ma pochi sanno che già ora si sta sviluppando una nuova generazione della tecnologia Wi-Fi: il Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). In questo articolo vedremo cosa rappresenterà il Wi-Fi 7.

Antefatti

A settembre 2020 celebreremo il 30° anniversario del progetto IEEE 802.11, che ha avuto un impatto significativo sulla nostra vita. Oggi la tecnologia Wi-Fi, definita dalla famiglia di standard IEEE 802.11, è la tecnologia wireless più popolare utilizzata per la connessione a Internet: il Wi-Fi trasmette oltre la metà del traffico degli utenti. Mentre le tecnologie cellulari si riqualificano ogni decennio, ad esempio sostituendo il nome 4G con 5G, per gli utenti Wi-Fi l'aumento della velocità di trasmissione dei dati e l'introduzione di nuovi servizi e funzionalità avviene quasi senza essere notato. Solo pochi clienti si preoccupano delle lettere “n”, “ac” o “ax” che seguono “802.11” sulle confezioni dei dispositivi. Ma ciò non significa che il Wi-Fi non stia evolvendo.

Una delle prove dell'evoluzione del Wi-Fi è l'aumento drammatico delle velocità nominali di trasmissione dei dati: da 2 Mbit/s nella versione del 1997 fino a quasi 10 Gbit/s nel più recente standard 802.11ax, noto anche come Wi-Fi 6. Il Wi-Fi moderno raggiunge questo aumento di prestazioni grazie a strutture 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, il 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 di trasmissione dati nominali fino a 275 Gbit/s, anche se su distanze molto brevi.

Nuove applicazioni e servizi legati a flussi video ad alta risoluzione, realtà virtuale e aumentata, giochi, lavoro remoto e computazione cloud, così come la necessità di supportare un gran numero di utenti con traffico intenso nelle reti wireless, richiedono elevate 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 a un nuovo aggiornamento dello standard Wi-Fi, che aumenterà la capacità nominale a oltre 40 Gbit/s su un canale di frequenza «tipico» per la banda Wi-Fi <= 7 GHz. Anche se in molti documenti si parla di «capacità massima di almeno 30 Gbit/s», il nuovo protocollo di livello fisico garantirà una velocità nominale superiore ai 40 Gbit/s.

Un altro aspetto importante dello sviluppo di Wi-Fi 7 è il supporto per applicazioni in tempo reale (giochi, realtà virtuale e aumentata, gestione di robot). È interessante notare che, sebbene Wi-Fi gestisca in modo speciale il traffico audio e video, si pensava da tempo che garantire, a livello standard, latenze garantite (nell'ordine di millisecondi), noto anche come Time-Sensitive Networking, fosse fondamentalmente impossibile nelle reti Wi-Fi. Nel novembre 2017, il nostro gruppo dell'IPPI RAN e dell'HSE (non fatelo sembrare pubblicità) ha presentato una proposta a riguardo al gruppo IEEE 802.11. La proposta ha suscitato grande interesse e, nel luglio 2018, è stato istituito un sottogruppo speciale per studiare ulteriormente la questione. Poiché per supportare applicazioni in tempo reale sono necessarie sia elevate velocità nominali di trasmissione dei dati che un ampliamento delle funzionalità a livello di comunicazione, il gruppo di lavoro 802.11 ha deciso di sviluppare metodi per supportare le applicazioni in tempo reale nel contesto di Wi-Fi 7.

Una questione importante legata a Wi-Fi 7 è la sua coesistenza con le tecnologie delle reti cellulari (4G/5G), sviluppate da 3GPP e operanti nelle stesse bande di frequenza non licenziate. Si parla di LTE-LAA/NR-U. Per studiare i problemi relativi alla coesistenza tra Wi-Fi e reti cellulari, IEEE 802.11 ha avviato il Coexisting Standing Committee (Coex SC). Nonostante i numerosi incontri e persino un seminario congiunto tra i partecipanti di 3GPP e IEEE 802.11 nel luglio 2019 a Vienna, le soluzioni tecniche non sono state ancora approvate. Una possibile spiegazione di tale inattività potrebbe essere il fatto che né IEEE 802 né 3GPP vogliono modificare le proprie tecnologie per adeguarle all'altra. Pertanto, al momento non è chiaro se le discussioni nel 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 proposte circa 500 nuove funzionalità per il futuro Wi-Fi 7, noto anche come IEEE 802.11be. La maggior parte delle idee è al momento in discussione nel sottogruppo be e non è stata ancora presa una decisione al riguardo. Altre idee sono state recentemente approvate. Di seguito sarà specificato chiaramente quali proposte sono approvate e quali sono solo in discussione.

Inizialmente si prevedeva che lo sviluppo dei principali nuovi meccanismi sarebbe stato completato entro marzo 2021. La versione finale dello standard è attesa per l'inizio del 2024. A gennaio 2020, nel sottogruppo 11be, è stata espressa preoccupazione riguardo al rispetto della tempistica in base all'attuale ritmo di lavoro. 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 entro il 2021 (Release 1), mentre le altre resteranno per Release 2. Le funzionalità ad alta priorità devono garantire un incremento significativo delle prestazioni e comprendono il supporto per 320 MHz, 4K-QAM, miglioramenti evidenti dell'OFDMA del Wi-Fi 6 e MU-MIMO con 16 flussi.

A causa del coronavirus, il gruppo attualmente non si riunisce di persona, ma organizza regolarmente teleconferenze. Pertanto, lo sviluppo ha rallentato un po', ma non si è fermato.

Dettagli della tecnologia

Esaminiamo le principali innovazioni del Wi-Fi 7.

Il nuovo protocollo di livello fisico è un'evoluzione del protocollo Wi-Fi 6 con un raddoppio della larghezza di banda fino a 320 MHz, un raddoppio del numero di flussi spaziali MU-MIMO, il che porta a una capacità nominale aumentata di 2×2 = 4 volte. Il Wi-Fi 7 inizia anche a utilizzare la modulazione 4K-QAM, che aggiunge un ulteriore 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 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Inoltre, ci sarà un cambiamento rivoluzionario nel protocollo di livello fisico, relativo alla garanzia di compatibilità con le future versioni del Wi-Fi, ma rimarrà invisibile agli utenti.
Cambiamento del metodo di accesso al canale per supportare applicazioni in tempo reale sarà condotto tenendo conto dell'esperienza IEEE 802 TSN per le reti cablate. I dibattiti in corso nel comitato di standardizzazione riguardano la procedura di attesa casuale per l'accesso al canale, le categorie di servizio del traffico e, di conseguenza, code separate per il traffico in tempo reale, così come le politiche di gestione dei pacchetti.
Introdotto nel Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – metodo di accesso al canale con divisione per tempo e frequenza (simile a quello utilizzato nelle reti 4G e 5G) – offre nuove opportunità per un'ottimale distribuzione delle risorse. Tuttavia, in 11ax OFDMA non è sufficientemente flessibile. In primo luogo, consente all'access point di assegnare a un dispositivo client solo un blocco di risorse di dimensioni prestabilite. In secondo luogo, non supporta la trasmissione diretta tra le stazioni client. Entrambi questi 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, che è critica per le applicazioni in tempo reale. 11be risolverà questi problemi dell'OFDMA.
Una delle rivoluzionarie modifiche approvate per Wi-Fi 7 è il supporto integrato per l'uso simultaneo di più connessioni parallele su diverse frequenze, che è molto utile sia per enormi velocità di trasmissione dati che per una latenza estremamente 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 l'efficacia di tale operazione. In 11be verrà trovato un livello di sincronizzazione tra i canali che consente di utilizzare in modo efficiente le risorse del canale, portando a sostanziali cambiamenti nelle regole del protocollo di accesso al canale.
L'uso di canali molto ampi e un elevato numero di flussi spaziali porta a un problema di elevate spese generali legate alla procedura di valutazione dello stato del canale, necessaria per MIMO e OFDMA. Queste spese generali annullano tutti i guadagni derivanti dall'aumento delle velocità di trasmissione nominali. Si prevede che la procedura di valutazione dello stato del canale venga riveduta.
Nel contesto del Wi-Fi 7, nel comitato di standardizzazione si discute l'uso di alcuni metodi di trasmissione dei dati "avanzati". In teoria, questi metodi aumentano l'efficienza spettrale in caso di ripetizione della trasmissione, così come durante trasmissioni simultanee nella stessa direzione o in direzioni opposte. Si tratta della richiesta automatica di ripetizione ibrida (HARQ), attualmente utilizzata nelle reti cellulari, della modalità full-duplex e dell'accesso multiplo non ortogonale (NOMA). Questi metodi sono ben studiati nella letteratura teorica, tuttavia al momento non è chiaro se l'aumento delle prestazioni che forniscono giustifichi gli sforzi per la loro implementazione.
- Utilizzo HARQ complicato dal seguente problema. Nel Wi-Fi, per ridurre il sovraccarico, i pacchetti sono accorpati. Nelle attuali versioni del Wi-Fi, la consegna di ciascun pacchetto all'interno dell'accorpamento è confermata e, se la conferma non arriva, la trasmissione del pacchetto viene ripetuta utilizzando i metodi del protocollo di accesso al canale. Il HARQ sposta i tentativi di ripetizione dal livello del canale a quello fisico, dove non ci sono più pacchetti, ma parole codificate, e i confini delle parole codificate non corrispondono a quelli dei pacchetti. Questa dissincronizzazione complica l'implementazione del HARQ nel Wi-Fi.
- Per quanto riguarda Full-Duplex, attualmente né nelle reti cellulari né nelle reti Wi-Fi è possibile trasmettere dati e riceverli contemporaneamente nel medesimo canale di frequenza, sia alla stazione base (o punto di accesso) che da essa. Dal punto di vista tecnico, ciò è legato alla grande differenza di 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 segnali Wi-Fi durante la trasmissione, il vantaggio che possono offrire nella pratica potrebbe essere trascurabile, poiché in ogni momento il flusso discendente non è uguale a quello ascendente (in media "nell'ospedale" il flusso discendente è significativamente maggiore). In questo contesto, tale trasmissione bidirezionale complicherà notevolmente il protocollo.
- Se per trasmettere più flussi utilizzando MIMO è necessario avere più antenne per il mittente e il ricevente, in caso di accesso non ortogonale il punto di accesso può trasmettere dati a due destinatari con un'antenna. Diverse varianti di accesso non ortogonale sono incluse nelle ultime specifiche 5G. Prototipo NOMA Il Wi-Fi è stato creato per la prima volta nel 2018 presso l'IPP RAN (non consideratelo come pubblicità). Ha dimostrato un aumento delle prestazioni del 30-40%. I punti di forza della tecnologia sviluppata sono la sua retrocompatibilità: uno dei due destinatari può essere un dispositivo obsoleto, non compatibile con Wi-Fi 7. In generale, il problema della retrocompatibilità è molto importante, poiché nella rete Wi-Fi possono funzionare contemporaneamente dispositivi di diverse generazioni. Attualmente, diversi team nel mondo stanno analizzando l'efficacia dell'uso congiunto di NOMA e MU-MIMO, i cui risultati determineranno il futuro di questo approccio. Stiamo anche continuando a lavorare sul prototipo: la sua versione successiva sarà presentata alla conferenza IEEE INFOCOM a luglio 2020.
Infine, un'altra importante innovazione, ma con un destino incerto, è il funzionamento coordinato dei punti di accesso. Sebbene molti fornitori abbiano i propri controllori centralizzati per le reti aziendali Wi-Fi, le funzionalità di tali controllori sono state, in genere, limitate alla configurazione di parametri a lungo termine e alla scelta del canale. Il comitato di standardizzazione sta discutendo una cooperazione più stretta tra i punti di accesso vicini, che include pianificazione coordinata delle trasmissioni, beamforming e persino sistemi MIMO distribuiti. Alcuni degli approcci considerati utilizzano la soppressione delle interferenze in serie (simile a quanto avviene nel NOMA). Anche se gli approcci per la coordinazione del 11be non sono ancora ben definiti, non c'è dubbio che lo standard consentirà ai punti di accesso di diversi produttori di coordinare le trasmissioni per ridurre l'interferenza reciproca. Quanto ad approcci più complessi, come il MU-MIMO distribuito, la loro integrazione nello standard sarà più difficile, anche se alcuni membri del gruppo sono determinati a farlo nel contesto del Release 2. A prescindere dall'esito, il destino dei metodi di coordinazione dei punti di accesso è incerto. Anche se inclusi nello standard, potrebbero non arrivare mai sul mercato. È già successo in passato quando si tentava di regolamentare le trasmissioni Wi-Fi usando soluzioni come HCCA (11e) e HCCA TXOP Negotiation (11be).

Riassumendo, sembra che la maggior parte delle proposte relative ai primi cinque gruppi diventerà parte del Wi-Fi 7, mentre le proposte relative agli ultimi due gruppi richiedono significative ulteriori ricerche per dimostrarne l'efficacia.